Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
Еще в 1902 г. Шеррингтона выдвигали на Нобелевскую премию, однако он был удостоен этой награды лишь в 1932 г. в возрасте 75 лет. Он разделил Нобелевскую премию с Эдгаром Дугласом Эдрианом. Шеррингтон исследовал нейроны, а его более молодой коллега — распространение нервных импульсов. Оба ученых рассматривали проблему рефлексов, но с противоположных направлений.
Большой вклад в изучение рефлекторных механизмов поведения внесла школа советских физиологов. В 20-е годы И.П. Павлова повторно выдвигали на Нобелевскую премию, и, хотя он не получил ее, этот факт, безусловно, свидетельствует о высокой оценке его достижений. Большие заслуги в изучении координации рефлексов принадлежат советскому физиологу Алексею Алексеевичу Ухтомскому, который в 1931 г. получил премию имени В.И. Ленина за созданную им теорию доминанты. Эта теория описывает взаимодействие нервных центров, и особенно случаи, когда какой-либо из них, имеющий повышенную активность, доминирует над другими.
В первые десятилетия нашего века португальский нейрохирург Антонио Каэтану ди Абреу Фрейриди Эгаш Мониш приобрел известность благодаря созданному им методу радикального лечения ряда психических заболеваний. В своей клинике в Лиссабоне он детально разработал методику так называемой префронтальной лейкотомии (разрез белого вещества переднего мозга). Такое хирургическое вмешательство эффективно излечивало различные психические заболевания, связанные с депрессией, неврозами страха, навязчивыми идеями, манией преследования и многими случаями шизофрении. Радикальная операция (часто ее называют «лоботомией») позволяла восстановить до приемлемого уровня психику людей, находившихся в состоянии полной инвалидности. Когда было невозможно радикально излечить пациента, лоботомия по крайней мере помогала уменьшить его страдания.
Эгаш Мониш помог тысячам людей вернуться к нормальной жизни, и в 1949 г. он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Вместе с ним был награжден швейцарский физиолог Вальтер Рудольф Гесс, который исследовал мозге помощью инструмента значительно более тонкого, чем хирургический скальпель.
В 1928 г. Гесс занялся исследованием различных структур мозга путем электрического раздражения. В то время он был уже известным физиологом, специализировавшимся у таких светил, как Ленгли, Шеррингтон, Старлинг, Хопкинс, Дейл и другие. В 1917 г. стал директором Физиологического института в Цюрихе. Это обеспечило ему значительную свободу в исследовательской деятельности, которую он использовал в полной мере.
Швейцарский ученый разработал метод вживления электродов в различные структуры мозга (главным объектом его исследования был гипоталамус), что позволило изучать их функции и реакции. Во время своей Нобелевской лекции в 1949 г. Гесс показал фильм, продемонстрировавший поведение подопытных кошек с вживленными в мозг электродами; по желанию экспериментатора животные шипели и бросались на воображаемого врага, успокаивались, засыпали, просыпались, занимались поисками пищи и т. д. Гесс вводил электрода в средний и промежуточный мозг — в две из пяти частей головного мозга, регулирующих ряд физиологических процессов и элементарных реакций поведения. Созданный им метод открыл широкую область для исследований, в которую сразу же устремились многие ученые. Особых успехов добился здесь Хосе Мануэль Родригес Дельгадо. Как истинный испанец, он пренебрег кошками и занялся быками, управляя ими с помощью имплантированных электродов лучше самых знаменитых тореадоров.
Развитие нейрохирургии привело к интересному открытию, пролившему свет на работу обоих полушарий головного мозга. В 60-е годы в целях борьбы с эпилепсией стали перерезать мозолистое тело — пучок нервных волокон, связывающих полушария головного мозга. После такой операции больные на первый взгляд не отличались от здоровых людей. Но профессор психологии Калифорнийского технологического института Роджер Сперри высказал предположение, что эта процедура далеко не безобидна. Уже при первых своих наблюдениях в 1968 г. он заметил, что у пациентов с «расщепленным мозгом» в буквальном смысле левая рука не ведает, что делает правая.
Сперри предпринял обширную серию экспериментов, используя самые различные психологические тесты. Его целью было исследовать, как реагируют оба полушария на воздействие света. У нормальных людей это трудно выяснить, но при лечении эпилепсии трудности отпадают. Сперри показал, что после рассечения мозолистого тела мозга процессы в каждом полушарии протекают независимо. Он доказал, что каждое полушарие мозга выполняет свои собственные функции: левое ответственно за речь, письмо и счет, правое — за восприятие пространственных взаимосвязей и интуитивное распознавание окружающих предметов. Поскольку нервные пути пересекаются, правое полушарие управляет левой половиной тела, а левое — правой. Поэтому, если оперированный человек касается левой рукой какого-либо предмета, то он его узнает, но не может назвать. Необходимо, чтобы, на помощь пришла правая рука — тогда информация от осязания преобразуется в левом полушарии в словесное описание. В дальнейшем Сперри выявил пластичность речевых функций, обнаружив, что у больных с рассеченным мозолистым телом (в особенности у молодых людей) со временем речевые функции правого полушария совершенствуются. В связи с этим Сперри высказал предположение, что взаимодействие между двумя полушариями обусловлено их различной «специализацией».
Оригинальные исследования Роджера Сперри показали, что нервный субстрат сознания образуют именно большие полушария головного мозга и связи между ними. Будучи развитыми у человека в наибольшей степени, они полностью доминируют над более примитивными структурами, унаследованными эволюционным путем. За свои замечательные открытия в области функциональной специализации полушарий мозга Роджер Сперри был удостоен в 1981 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Эту почетную награду разделили с ним американский ученый Дэвид Хьюбел и шведский исследователь Торстен Визел за открытия в области обработки информации в зрительной системе.
Исследование органов чувств
Мозг, как и любая ЭВМ, нуждается в источниках информации. Его информационными каналами служат органы чувств — настоящие окна в мир, которые улавливают свет, звуки, а также многие другие сигналы окружающей среды и кодируют их в нервные импульсы, идущие в мозг.
Важнейшим органом чувств является зрение. Более 90 процентов информации об окружающем мире человек получает с помощью глаз. Теория зрения была разработана военным врачом Германом Гельмгольцем, который затем от медицины перешел к физике, став одним из известнейших естествоиспытателей XIX в.
В 1853 г. Гельмгольц объяснил, как происходит аккомодация — фокусировка глаза на близких и далеких предметах. Под роговицей глаза находится хрусталик, главная функция которого как раз и заключается в фокусировке изображения на глазное дно, покрытое светочувствительной сетчаткой. Хрусталик заключен в специальную капсулу и поддерживается нитями, которые изменяют его кривизну. При сокращении определенных мышц нити расслабляются и хрусталик благодаря своей эластичности становится более выпуклым, что увеличивает его преломляющую способность и уменьшает фокусное расстояние. Так глаз фокусируется на близких предметах.
Теория Гельмгольца была принята ученым миром с удовлетворением, и никто не ожидал, что в нее можно что-либо добавить, пока за изучение глаза не взялся другой врач, который также отдавал предпочтение физике. В 1890 г. молодой исследователь из Стокгольма Альвар Гульстранд публикует свою докторскую диссертацию по теории астигматизма (один из дефектов зрительного восприятия, который устраняется с помощью очков с цилиндрическими стеклами). В последующие два десятилетия Гульстранд все глубже проникал в оптику, расширяя свои знания, пока наконец не стал одним из крупнейших специалистов в этой области.
Гульстранд поставил перед собой исключительно трудную задачу — детально изучить оптическую систему глаза. Прежде всего он установил, что изменение кривизны глазного хрусталика только на две трети обеспечивает увеличение преломляющей способности, необходимой для точной фокусировки. Таким образом, выяснилось, что теория Гельмгольца охватывает не все явления. Шведский офтальмолог, ставший профессором Упсальского университета, обратил внимание на особое микростроение глазного хрусталика: он состоит из большого количества прозрачных нитей. Обнаружилось, что при аккомодации наряду с изменением кривизны оптической поверхности хрусталика происходит и перемещение нитей, в результате чего изменяется показатель преломления, — это и дает дополнительное увеличение преломляющей способности хрусталика. Все эти выводы стали возможны благодаря многочисленным тончайшим экспериментам и сложной теоретической обработке данных. Открытие новых фактов в области, где на протяжении более полувека все выглядело незыблемым, явилось большой неожиданностью для научных кругов. В 1911 г. Альвар Гульстранд был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за работы по диоптрике глаза, в частности за исследование астигматизма и аккомодации.
