Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

© Александр Иванович Волошин, 2023

ISBN 978-5-0050-8341-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Достаточно ли мы умны, чтобы познать свой собственный разум? Этим вопросом задавались мыслители с древнейших времён. Впервые в истории цивилизации его сформулировал Гиппократ ещё в V веке до н. э. Прошло двадцать шесть столетий, а некоторые учёные и философы, занимающиеся психикой и до сих пор сомневаются в постижимости Сознания.

Стремление понять, каким образом деятельность нервной системы обеспечивает восприятие, научение, сознание и все другие проявления поведения животных – это, несомненно, один из самых дерзких вызовов, который был брошен Природе человеком.

В этой книге нас в первую очередь будет интересовать история человеческих представлений о том, как передаётся информация в нервной системе и то, как на этом фоне возникали, развивались и воспринимались идеи, как одни заблуждения в борьбе сменялись другими. Попробуем понять, находимся ли мы на очередном этапе заблуждений или уже добрались до истины.

Слегка перефразировав Альберта Эйнштейна, скажем: история науки – это драма, драма идей. В нашей драме мы будем следить за изменчивыми судьбами научных теорий. Они не менее интересны, чем судьбы людей, ибо каждая из них включает что-то бессмертное, хотя бы частицу пути к истине.

Так получилось, что во все времена, на каждом этапе своего развития человечество имело некоторое вполне определённое представление о том, как работает сознание, мозг, отдельный нейрон. Всегда существовали те или иные доктрины, на которых базировались методы диагностики и лечения, применяемые докторами, а мы бедные больные обыватели-пациенты во все века искренне верили в компетентность врача и могущество науки.

Между тем на протяжении истории представления о Душе, Сознании и Мозге сильно трансформировались. Мыслители всегда сравнивали мозг с технологическими достижениями своей эпохи: римские врачи уподобляли его акведукам, а средневековый философ Декарт видел в нём орга́н в кафедральном соборе, учёные времён промышленной революции говорили о мельницах, прялках и часах, а в начале XX века в моду вошло сравнение с коммутационной панелью телефонной станции.

Сегодня для нас мозг – это, вне всякого сомнения, суперкомпьютер, а тема построения компьютерных нейронных сетей и искусственного интеллекта в области информационных технологий стала чрезвычайно модной в СМИ. При этом мало кто понимает, что такое нейронные сети и принцип их действия. А о том, как работает реальная нервная система, по-прежнему не знает никто. Возможно потому, что никто достоверно не знает, как работает один нейрон. Вот Вы, например, знаете откуда в мозге именно электрические импульсы?

За изучение мозга сейчас активно взялись во всём мире. Такие проекты, как европейский The Human Brain Project («Исследование человеческого мозга»), американский BRAIN Initiative («Инициатива по изучению мозга»), японский MINDS, – все стартовали примерно в 2012—2014 годах с прицелом на десятилетие и с огромным финансовым подкреплением. В 2016 году Google сделал ставку на биоэлектронную медицину. В марте 2017 года стало известно, что Илон Маск создал компанию, задачей которой будет «подключение мозга к компьютеру».

В 2019 предполагается старт обширной российской программы, уже подготовлен проект дорожной карты по развитию направления «Нейротехнологии и искусственный интеллект».

Почему же мы до сих пор не стали свидетелями всплеска открытий, такого как, например, в цифровых технологиях или в генетике?

Может, не то ищем?

Часть I. История

«Наука должна быть весёлая, увлекательная и простая. Таковыми же должны быть и учёные.»

(Пётр Капица)

Первобытные представления о душе

О том, какими были наши далёкие предки, учёные делают выводы исключительно на основе археологических находок и на исследовании уклада жизни современных затерянных племён, живущих первобытно-общинным строем.

Но мы всё же рискуем предположить, что в своём стремлении хоть как-то упорядочить окружающий его мир, древний человек объяснял стихийные явления природы действиями живых существ, присутствующих в них или стоя́щих за ними; так же он, вероятно, объяснял и явления само́й жизни. Если человек или животное живёт и двигается, это, вероятно полагал наш древний предок, происходит только потому, что внутри него сидит маленький человек или зверёк, который им управляет. Этот зверёк в животном, этот человечек внутри человека есть душа. [1]

Крайне маловероятно, что древнего человека занимали вопросы функционирования нервной системы. Но о существовании нервов наши далёкие предки, вероятно, имели представление. Так, в некоторых племенах практиковались пытки, в которых нервные волокна жертвы наматывались на палочки. Это вызывало непроизвольные движения частей тела. Дикарей очень развлекали такие танцы. А интерес к мозгу, скорее всего, был чисто гастрономический.

Но не стоит недооценивать наших древних предков, найденные археологами многочисленные черепа со следами хирургической трепанации, до сих пор интригуют исследователей.

Древний мир – Античность

Бо́льшую часть летописной истории люди помещали разум – а вместе с ним и душу – не в мозг, а в сердце. Например, при подготовке мумий к загробной жизни жрецы Древнего Египта целиком сохраняли сердце в ритуальном сосуде; в то же время извлечённый мозг выкидывали или пускали на корм для животных, а пустой череп заполняли опилками или смолой. (И это не было проявлением пренебрежения к умершим, жрецы считали мозг любого человека бесполезным.)

Египтянам же принадлежит и первое из дошедших до нас описание мозга. Оно приведено в «папирусе Эдвина Смита»[1]. Здесь движение мозга в открытой ране сравнивается с «кипящей медью».

Большинство древнегреческих мыслителей считали самым возвышенным о́рганом сердце. Аристотель, например, полагал, что оно имеет толстые сосуды для передачи сообщений, в то время как у мозга они тонкие и слабые. Кроме того, сердце расположено в центре человеческого тела, как подобает командующему, а мозг находится в ссылке на вершине. Сердце первым развивается у человеческого эмбриона, оно сильно реагирует на эмоции, когда бьётся быстрее или медленнее, в то время как мозг внешне бездействует. Из чего делался вывод, что сердце является вместилищем наших высших способностей. А мозгу отводилась функция охлаждения крови, протекающей через него. (Сегодня Аристотеля мы почитаем в большей степени за изобретённый им систематический стиль мышления, чем за его нейроанатомические идеи.)

Вопрос природы сознания волновал человека всегда. Только вплоть до новейшей истории предметом исследования оставалась Душа. О Сознании начали говорить лишь тогда, когда связали мыслительные процессы и чувства с мозгом.

Некоторые врачи и в античные времена имели своё, собственное мнение о вместилище разума. Вероятно, они просто видели достаточно много пациентов, которые получив сходные ранения в голову, утрачивали какие-либо одинаковые высшие способности. Врачи начали догадываться, что именно мозг определяет внутреннюю сущность человека. Тем самым, было положено начало естественнонаучным представлениям о мозге.

Предположение, что нервные стволы являются путями, по которым передаются влияния от мозга к мышцам и в обратном направлении, было сформулировано в эпоху античности. А идею о локализации мыслей в головном мозге впервые в истории знания выдвинул врач и философ Алкмеон Кротонский (VI век до н. э.).

Гиппократ (460 – 377 годы до н. э.) – «отец медицины» выступавший как представитель материализма в медицине, как и Алкмеон, считал, что о́рганом мышления и ощущения является мозг. Он оставил после себя одно единственное рассуждение о функции мозга и природе сознания. Оно было включено в лекцию, которую Гиппократ читал собранию медиков, занимавшихся эпилепсией. Вот отрывок из той лекции: «Некоторые люди говорят, что сердце является о́рганом, которым мы думаем и которое чувствует боль и волнение. Но это не так. Людям следует знать, что от мозга, и только от мозга, проистекают наши удовольствия, радости, смех и слёзы. Посредством его… мы думаем, видим, слышим и отличаем уродливое от прекрасного, плохое от хорошего, приятное от неприятного… По отношению к сознанию мозг является посланником». Далее Гиппократ говорил: «Мозг является интерпретатором сознания». В другой части своего труда он просто отмечает, что эпилепсия происходит от мозга, «когда он не в норме». [2]

В Александрии в III веке до н. э. некоторое время было разрешено вскрытие трупов «безродных людей». Это поспособствовало важным открытиям, связанным с именами двух александрийских врачей – Герофила и Эразистрата.

Герофил в труде «Анатомия» подробно описал твёрдую и мягкую мозговые оболочки, части головного мозга, и особенно его желудочки (четвёртый из которых он считал местом пребывания души), проследил ход некоторых нервных стволов и установил их связь с головным мозгом.

Эразистрат тоже хорошо изучил строение мозга, описал его желудочки и мозговые оболочки. Он впервые разделил нервы на чувствительные и двигательные (полагая, что по ним движется душевная «пневма», которая обитает в мозге) и показал, что все они исходят из мозга. Мозговые желудочки и мозжечок он рассматривал как вместилище душевной пневмы, а сердце – центр жизненной «пневмы».

Все эти анатомо-физиологические све́дения объединил и дополнил римский врач Клавдий Гале́н (II век н. э.), автор сочинения по медицине, анатомии, физиологии, которое стало настольной книгой врачей вплоть до XVII века. Галену принадлежат открытия, связанные с выяснением строения и функций головного и спинного мозга: «…врачами точно установлено, что без нерва нет ни одной части тела, ни одного движения, называемого произвольным, и ни единого чувства».

Гален описал все отделы головного и спинного мозга, семь (из двенадцати) пар черепно-мозговых нервов, 58 спинномозговых нервов и нервы внутренних органов. Он широко использовал поперечные и продольные сечения спинного мозга в целях исследования чувствительных и двигательных расстройств ниже места сечения.

Следуя учению Платона о пневме, Гален считал, что в организме «пневма» обитает в различных видах: в мозге – «душевная пневма» (spiritus animalis), в сердце – «жизненная пневма» (spiritus vitalis), – в печени – «естественная пневма» (spiritus naturalis). Все жизненные процессы он объяснял действием нематериальных «сил», которые образуются при разложении пневмы: нервы несут «душевную силу» (vis animalis), печень даёт крови «естественную силу» (vis naturalis), пульс возникает под действием «пульсирующей силы» (vis pulsitiva). Подобные трактовки придавали идеалистическое толкование кропотливо собранному экспериментальному материалу Галена. Он правильно описывал то, что видел, но полученные результаты интерпретировал идеалистически.

Главными технологическими достижениями того времени были водопровод и канализационная система, основанные на принципах механики жидкостей. Поэтому едва ли можно считать случайным убеждение Галена, что в мозгу важную роль играет не само его вещество, а заполненные жидкостью полости. Сегодня эти полости известны как система мозговых желудочков, а выделяющаяся в них жидкость – как цереброспинальная (спинномозговая) жидкость.

Органами души Гален считал мозг, сердце и печень. Каждому из них приписывалась одна из психических функций соответственно разделению частей души, предложенному Платоном: печень – носитель вожделений, сердце – гнева и мужества, мозг – разума.

Мозг по Галену действует как некий мистический центр, рассылающий и принимающее духовные послания. Гален считал, что все физические функции тела, состояние здоровья и болезни зависят от распределения четырёх жидкостей организма: крови, флегмы (слизи), чёрной жёлчи и жёлтой жёлчи. Каждая из них имеет специальную функцию: кровь поддерживает жизненный дух организма; флегма вызывает вялость; чёрная жёлчь обусловливает меланхолию; жёлтая – гнев.

Представления Галена так глубоко проникли в научную мысль Европы, что на протяжении почти полутора тысяч лет роль этих основных жидкостей в функционировании мозга и других органов по существу не подвергалась сомнению.

[1] Папирус Э. Смита или Хирургический папирус – один из наиболее важных медицинских текстов Древнего Египта.

Епископ Немесия «О природе человека»

Имя епископа Эмессы – Немесия практически не известно у нас даже среди людей образованных, интересующихся философией и богословием.

К сожалению, нам ничего не известно о нем, кроме того, что он был христианским епископом города Эмесы (ныне – город Хомс в Сирии). Даже о времени жизни Немесия у историков нет единого мнения.

А между тем труд Немесия «О природе человека» (IV—V в.) представляет собой вполне удавшуюся попытку обоснования христианской антропологии, основанной на лучшем, что было создано в науке о человеке античными философами и учёными.

В его труде нашли обобщение представления его современников об органах чувств, каждому из которых он посвятил отдельную главу. Но, что более изумительно в трактате есть и такие главы:

• о способности мышления, • о способности помнить, • о внутреннем слове и слове произносимом.

Приведу пример его рассуждений про осязание: «…Совершенно ясно, что осязательные ощущения происходят благодаря нервам, идущим из головного мозга и разветвляющимся во всех частях тела. На том основании, что часто от укола ноги терновником у нас на голове тотчас шевелятся волосы, некоторые думали, что боль, отсылается в головной мозг и таким образом ощущается. Но если бы это соображение было справедливо, то страдала бы не уязвлённая часть, а только – мозг. Поэтому лучше сказать, что самый нерв есть мозг… Потому, та часть тела, которой присущ чувствительный нерв, получает от него чувство и становится чувствительной. Не безрассудно также утверждать, что в головной мозг передаётся не боль, но некоторая копия ощущения и извещение о боли…»

Органом памяти у Немесия служит задний желудочек головного мозга, «который называют ещё мозжечком, и находящаяся в нем психическая пневма». За способности ощущений отвечают – передние желудочки головного мозга, за способности мышления – средний. И все они «насквозь проникнуты «психической пневмой», как накалённое железо – огнём.

Процесс познания описан следующим образом: Способность представления передаёт восприятия внешних чувств мыслительной способности. Способность же мышления, или рассудок, приняв и обсудив это, отсылает способности памяти.

К таким выводам Немесия приходит вполне научно – на основе обобщения клинических наблюдений: «… если каким-либо образом повреждаются передние желудочки головного мозга, то затрудняется деятельность внешних чувств, но способность мышления ещё остаётся неповреждённой; когда же страдает один только средний желудочек – нарушается правильность мышления, а органы чувств сохраняют свои природные ощущения. Если же страдают и передние, и средний желудочки, то расстраивается рассудок вместе с внешними чувствами. А когда страдает мозжечок, то исчезает только память…» [3]

В итоге, труд Немесия «О природе человека» можно назвать обобщением знаний, накопленных в античном мире.

Развитие психологии в арабском мире

С VIII по XII века большинство естественно-научных исследований проводилось на Востоке, унаследовавшем основные философские традиции античного мира. Это была эпоха расцвета арабского Халифата, огромной империи, образовавшейся в результате мусульманских завоеваний. Наука и культура этого государства впитали достижения всех населявших его и соседних народов.

В те времена в халифате было терпимое отношение не только к отличным от ислама религиозно-философским воззрениям, не возбранялось и проведение медицинских научных исследований, в частности изучение мозга и органов чувств.

Арабские мыслители считали, что изучение сознания должно строиться не только на религиозно-философских суждениях о душе, но и на данных естественных наук.

Так, известный учёный того времени Ибн аль-Хайсам (965—1039 годы) сделал ряд важных открытий в области психофизиологии восприятия. Его научный подход к о́рганам зрения примечателен первой в истории попыткой трактовать их функции исходя из законов оптики. Важно было то, что он счёл эти законы доступными опыту и математическому анализу.

Примечательны рассуждения и другого известного арабского мыслителя – Ибн Сины (латинизированное имя – Авиценна, 980—1037 годы), который стал одним из самых выдающихся врачей в истории.

Ибн Сина в своих философских трудах сформулировал так называемую теорию двух истин, которая оказала огромное влияние на развитие наук в средневековый период. В теории двух истин доказывалось, что существуют две независимые, непересекающиеся, истины – вера и знание. Поэтому научная истина, не пересекаясь и не входя в противоречие с теологией, имеет право на собственную область исследований и на собственные методы изучения человека. В результате, формировалось две концепции о душе: религиозно-философское и естественно-научное.

Арабская научная мысль оказалась своеобразным резервным архивом научных традиций Античности, которые она сохранила и развила, а по прошествии веков возвратила в Западную Европу.

Средневековье

В период Средневековья в научной жизни Европы доминировала схоластика (от греческого «схоластикос» – школьный, учёный). Этот специфический тип философствования, господствовавший в Европе с XI по XVI век, сводился он к рациональному, использующему логические приёмы, обоснованию христианского вероучения. В схоластике имелись различные течения, общей же была установка на комментирование священных текстов. Фактическое изучение предметов и явлений, исследование реальных проблем подменялись трактованием Писания.

А что было в период между веками античности и XI веком? Учёные эпохи Возрождения назвали этот период «тёмное время» потому что сами мало знали о нём, а мы вслед за ними говорим «тёмное средневековье» и скромно пролистываем несколько столетий.

Интеллектуальное наследие античных мыслителей, возвратившееся-таки в Европу в XII веке католическая церковь вначале запретила, но затем принялась адаптировать соответственно собственным нуждам. С этой задачей наиболее искусно справился Фома Аквинский (1225—1274 годы), чьё учение позднее было канонизировано в папской энциклике как истинно католическая философия и получило название томизма (несколько модернизированного в наши дни под именем неотомизма).

Фома Аквинский утверждал, что человеческая сущность – это не только сама душа и, что душа это часть тела, а не самостоятельная субстанция – это была наиболее сомнительная, наиболее рискованная часть его рассуждений. Но он доказал, что эту позицию можно согласовать с христианством и что христианское учение не требует ни бестелесного спиритуализма, ни дуализма души и тела, ни независимости души. Фактически, Фома Аквинский отстаивал идею психофизического единства человека. Хотя этот взгляд имел античные корни, для средневековой теологии он был новаторским. [4]

В средние века католическая церковь использовала идеалистические стороны учения Галена, связав их с богословием. Так возник галенизм – искажённое, одностороннее понимание учения Галена. На переосмысление и отказ от галенизма ушло много столетий.

Возрождение

Лишь в эпоху Возрождения вместе с возобновлением интереса к естествознанию вообще, и функции нервной системы вновь стали предметом философских и научных исследований.

В какой-то степени проблемы, которые вставали перед наукой в эпоху Возрождения, были повторением старых, возникших в период становления философии на рубеже VII—VI веков до н. э. Поэтому, можно сказать, что эпоха Возрождения стала, по сути, периодом возвращения (возрождения) основ античной науки, перехода от догматизма к поиску новых путей научного исследования. В этот период наука стремилась преодолеть сакральность, которая царила в Средневековье.

XV—XVII века остались в истории временем расцвета искусств, прежде всего итальянской скульптуры и живописи. В меньшей степени в тот момент изучались проблемы души и сознания, так как вопросы духовной жизни традиционно оставались ещё вне круга научного изучения. Передовым направлением психолого-философских работ того времени стало исследование «проблемы способностей» личности. [5]