Путём ряда последовательных сдвигов 2-го штифта можно ответвлять в гальванометр различные фазы возникшего в ткани потенциала и таким образом составить полную картину протекания его в ткани от начала до конца. [10].
Фактические значения скорости распространения возбуждения, найденные с помощью дифференциального реотома, оказались такими же, как и при определении их другими методами. Но значение прибора было не только в этом. Бернштейн, пользуясь этим устройством, определил продолжительность волны возбуждения. На мышце лягушки её продолжительность оказалась примерно 0,05 с, на нерве же около 0,005 с. Для того времени этот результат был довольно точным.
Гипотезы Лудимара Германа
В 1879 году учёный младшего поколения школы Дюбуа-Реймона немецкий физиолог Лудимар Герман (Ludimar Hermann, 1838 1914) вплотную подошёл к современному математическому описанию нервного импульса. Он сравнил его распространение с горением бикфордова шнура. Для заданного шнура скорость и форма бегущей по нему уединённой волны горения, очевидно, постоянны (если m количество пороха, сгорающего в единицу времени, а М количество пороха в шнуре на единицу его длины, то скорость равна v = m/М; для бикфордова шнура обычно подбирают m и М так, что v = 1 см/с).
Такое сравнение, только на первый взгляд, может показаться наивным и подобным представлениям античных философов. На самом деле, при прохождении импульса, как и при движении пламени, расходуется энергия, которую нужно восполнять, иначе новый импульс не пройдёт. Попробуйте предложить другой пример из физики, в котором бы отправленная в путь волна подпитывалась в процессе своего распространения. Но сравнение это не лишено и недостатков нервные импульсы при взаимодействии ведут себя иначе, они больше похожи на частицы.
Сегодня это явление прекрасно изучено и называется оно автоволны[1].
Позднее Герман предложил ещё одну модель, уподобив нерв коаксиальному кабелю[2], в котором, однако, волны должны распространяться нелинейно. Решать подобные математические задачи в то время ещё не умели, и даже сам Герман счёл, что математическую теорию нервного импульса разработать невозможно.
К сожалению, он просто не знал об опытах Джона Скотта Рассела (John Scott Russell, 1808 1882), который в 1838 году впервые заявил об открытии уединённой (нелинейной) волны которую называют теперь солитон. Подробное описание этого наблюдения и выполненных им экспериментов было опубликовано в 1844 г. («Доклад о волнах»)[3].
Возможно, Герман этот талантливый учёный интуитивно гораздо ближе всех подошёл к открытию реальной природы нервного сигнала, но этого никто не заметил, ни тогда, ни сегодня. А история продолжила развиваться в другом русле на основе выдвинутой им же «теории местных токов» о которой подробно мы поговорим в главе «История мембранной теории».
[1] Расскажу о нём в отдельной главе
[2] Электрический кабель с одной центральной жилой. [3] Целенаправленное изучение солитонов началось сравнительно недавно (1960-е гг., работы В. И. Захарова, Л. Д. Фаддеева, Н. Забуски и др.). Тем не менее возможные физические приложения этого феномена уже охватывают многие области современной техники. Наиболее широкое распространение получили оптико-волоконные системы передачи информации.
«Чёрная реакция» Камилло Гольджи
В конце XIX века многие биологи были сторонниками «клеточной теории», гласившей, что живые существа состоят из крошечных строительных кирпичиков, называемых клетками. Неврологи же были не слишком уверены в этом. Да, отдельные клетки могли существовать в остальных о́рганах тела. Но под микроскопом казалось, что нейроны не имеют ни разрывов, ни промежутков между ними; они казались сплетёнными в одну большую кружевную сеть.
Более того, неврологи полагали, что в отличие от других, более автономных клеток нейроны действовали в унисон, пульсируя и мысля, как единое целое. Они назвали эту большую нейронную сеть «ретикулярной нейронной тканью».
Развенчание ретикулярной теории началось со случайного инцидента, произошедшего однажды вечером в 1873 году. Новая (и вечная для всех поколений учёных) проблема «накрыла» Гольджи (Camillo Golgi, 1843 1926) в 1872 году: стало туго с деньгами. И он принял предложение перейти на хлопотную, но нормально оплачиваемую работу санитарного инспектора больницы для хронических больных небольшого городка Абьятеграссо. Разумеется, заниматься наукой санитарному инспектору не положено, и лаборатории в Абьятеграссо у Гольджи не было. Но в те блаженные времена учёный мог себе позволить заниматься наукой за свои деньги и дома. Микроскоп, стёкла вот всё, что ему было нужно. По преданию, Камилло Гольджи работал на кухне при свете свечи, когда задел локтем мензурку с раствором нитрата серебра, пролившегося на срезы свиного мозга. Этот раствор использовался для окрашивания тканей. Гольджи решил, что из-за его неловкости образцы оказались испорченными.
Более того, неврологи полагали, что в отличие от других, более автономных клеток нейроны действовали в унисон, пульсируя и мысля, как единое целое. Они назвали эту большую нейронную сеть «ретикулярной нейронной тканью».
Развенчание ретикулярной теории началось со случайного инцидента, произошедшего однажды вечером в 1873 году. Новая (и вечная для всех поколений учёных) проблема «накрыла» Гольджи (Camillo Golgi, 1843 1926) в 1872 году: стало туго с деньгами. И он принял предложение перейти на хлопотную, но нормально оплачиваемую работу санитарного инспектора больницы для хронических больных небольшого городка Абьятеграссо. Разумеется, заниматься наукой санитарному инспектору не положено, и лаборатории в Абьятеграссо у Гольджи не было. Но в те блаженные времена учёный мог себе позволить заниматься наукой за свои деньги и дома. Микроскоп, стёкла вот всё, что ему было нужно. По преданию, Камилло Гольджи работал на кухне при свете свечи, когда задел локтем мензурку с раствором нитрата серебра, пролившегося на срезы свиного мозга. Этот раствор использовался для окрашивания тканей. Гольджи решил, что из-за его неловкости образцы оказались испорченными.
Тем не менее через несколько недель он изучил их под микроскопом и с удивлением обнаружил, что раствор серебра прокрасил клетки мозга особым и очень полезным способом. Лишь немногие клетки абсорбировали серебро, но эти участки резко выделялись, как чёрные силуэты на кремово-жёлтом фоне, а их тончайшие волокна и отростки внезапно стали заметными. Воодушевлённый, Гольджи стал совершенствовать технику окрашивания, которую он назвал lareazionenera, или «чёрной реакцией».
Рисунок 12. Нейрон, окрашенный по Гольджи.
Окрашивание проводят следующим образом: препарат сначала обрабатывают раствором дихромата калия, а затем раствором нитрата серебра. В результате оранжевый фон это окраска дихроматом калия, кирпично-коричневый нитратом серебра.
Этот метод весьма капризен и позволяет маркировать довольно случайным образом какие-нибудь отдельные нейроны меньше 1% от их общего числа. Но при этом каждый помеченный нейрон помечается целиком, позволяя исследователю увидеть его тело и все отростки.
До Камило Гольджи зафиксировать нейроны смог Зигмунд Фрейд. С 1876 по 1881 годы он работал с Эрнстом Брюкке директором института физиологии при Венском университете, физиологом школы Германа Гельмгольца. Фрейд предложил метод фиксации нейронов с помощью хлористого золота. Но его метод оказался более дорогостоящим и поэтому менее привлекательным для исследователей. [11]
Преимущество метода Гольджи заключалось в том, что серебро, полностью пропитывая нейроны, не проникает в окружающие их глиальные ткани.
В то время учёные уже знали, что нервная система состоит из двух главных типов клеток: нейронов и глии[1]. (Нейроны обрабатывают мысли и ощущения в мозге, а также образуют материал нервов. Глия, что значит «клей», удерживает нейроны на месте, защищает их и снабжает питательными веществами). Однако, Гольджи стал первым человеком, увидевшим эти клетки почти во всех подробностях.
Закруглённая глия с тонкими отростками, похожая на чёрную медузу, застывшую в янтаре, поразила его. Нейроны, состоявшие из трёх отдельных частей, выглядели не менее экзотично. Каждый нейрон имел круглую центральную часть, запутанную поросль «дендритовых» ответвлений, отходящих от неё, и выделяющийся аксон длинный отросток, тянущийся от центральной части на огромные по клеточным меркам расстояния и завершавшийся собственными крошечными ответвлениями на дальнем конце. [5]
Первое сообщение об опытах Гольджи (без особых результатов) появилось в 1873 году в коротенькой статье «К структуре серого вещества мозга» в Gazzetta Medica Italiana. Первые рисунки новой окраски «по Гольджи» были опубликованы в 1875 году в его статье, посвящённой зрительным колбочкам, а полностью метод был обстоятельно описан в монографии по анатомии нервной системы в 1886 г.
Гольджи пришёл к выводу, что нейроны связываются друг с другом через аксоны, так как ответвления на дальнем конце часто сцеплялись с другими нейронами. Фактически аксоны были так тесно переплетены, что Гольджи не видел свободного места между нейронами, и он выступил как твёрдый сторонник ретикулярной теории.