Сначала «радисты» имели преимущество. Передача электрических импульсов была модным новшеством, а химическое взаимодействие выглядело устаревшим, как древнегреческое учение о «четырех телесных жидкостях». Кроме того, сторонники электрической теории имели экспериментальные свидетельства. Недавно изобретенные зонды, достаточно точные для измерения реакции отдельных клеток, показывали, что нейроны при срабатывании всегда вырабатывают электрический импульс. Этот импульс происходил внутри, но не было причин сомневаться в том, что нейроны могут пользоваться электричеством для внешних сообщений друг с другом.
Целый ряд мрачных экспериментов с сердцами лягушек, казалось, служил дальнейшим подтверждением этой теории. К 1900 году биологи знали, что, если удалить сердце у лягушки и погрузить его в соленую воду, оно будет биться само по себе в солевом растворе. Оно просто плавало там и сокращалось – лишенное тела, но каким-то безумным образом сохранявшее жизненную силу. Ученые обнаружили, что могут даже замедлять или ускорять частоту сокращений, посылая сигналы разной мощности в нервные окончания, ведущие к сердцу.
Между тем другие ученые обнаружили, что небольшое количество определенных химических веществ может сходным образом ускорять или замедлять сердцебиение. Но поскольку эти вещества были искусственными, их воздействие казалось лишь странным совпадением.
Отто Леви, молодой ученый, посетивший Англию в 1903 году, нашел фокусы с сердцами лягушек весьма увлекательными, и по возвращении в Австрию решил исследовать связь между нервами, электричеством и химическими веществами. Однако Леви был рассеянным и мечтательным человеком; в молодости он часто уходил с лекций по биологии, чтобы побывать в опере и послушать лекцию по философии. Поэтому даже после того, как он стал известным фармакологом, он не уделял внимания дальнейшим исследованиям. Между тем доктрина «радистов» набирала популярность.
В конце концов Леви вернулся к исследованию сердец лягушек в 1920-х годах, хотя и при необычных обстоятельствах. Вечером перед Пасхой он задремал над чтением романа. Эксперимент, достойный Нобелевской премии, промелькнул перед ним во сне, и он наполовину проснулся, обуреваемый смутными видениями, и записал их. На следующее утро он не смог разобрать собственный почерк. Раздосадованный, а потом и отчаявшийся, он пытался разобраться в точках и каракулях. Он мог вспомнить лишь момент эйфории, когда все вдруг обрело смысл. С тяжелым сердцем он отложил записи.
Следующей ночью сон повторился. Леви проснулся, и, чтобы не рисковать, снова полагаясь на записи, поспешил в свою лабораторию. Там он усыпил эфиром двух лягушек и поместил их сердца размером с вишенку в отдельные мензурки с солевым раствором, где они продолжали биться, создавая мелкую рябь через стекло. Одно сердце имело прикрепленные нервные окончания, и когда Леви воздействовал электричеством на определенные волокна, биение замедлилось, как и предполагалось.
Даже если с анатомической точки зрения мозг выглядит нормально, он может функционировать неправильно из-за нарушения химического равновесия.
Следующий шаг был наиболее важным. Он извлек солевой раствор изнутри первого сердца и добавил его во вторую мензурку. Второе сердце немедленно отреагировало и замедлило ход. Тогда он воздействовал электричеством на другие нервные волокна в первом сердце и ускорил его биение. Перенос солевого раствора заставил второе сердце ускориться, как он и видел во сне. Леви пришел к выводу, что под воздействием электрического импульса нерв вырабатывал определенное химическое вещество, которое воздействовало на второе сердце, когда он переливал раствор.
Эксперимент Леви оказал бесценную поддержку «поварам» и послужил доказательством, что нервная система – по крайней мере у некоторых животных – использует химические вещества для передачи сообщений. Другие ученые вскоре обнаружили такие вещества у млекопитающих, потом у людей. После этого доктрина «поваров» так быстро стала популярной, что в 1936 году Леви получил Нобелевскую премию за свое открытие, сделанное во сне. (Впрочем, как беспечный человек, он расстался с медалью в 1938 году, оставив ее в банковском сейфе. Хотя Леви был евреем, он не обращал внимания на грозовую тучу нацизма в соседней стране, и когда Гитлер аннексировал Австрию, ему пришлось бежать (10).
Однако для Леви и его сторонников сражение было выиграно лишь наполовину. «Радисты» признавали, что тело может пользоваться химическими сигналами на периферии нервной системы, контролирующей конечности и внутренние органы. Но в головном и спинном мозге – священном центре нервной системы – могли существовать лишь электрические импульсы. Опять-таки, имелись веские основания для такого мнения, поскольку нейроны вырабатывали электричество при любой активности.
«Радисты» также утверждали, что химические вещества – материал для «слюны, соплей, мочи и пота» – действуют слишком медленно для процессов, происходящих в мозге. Только электричество, которое распространялось мгновенно, могло стоять за мышлением. Как и сторонники ретикулярной теории Гольджи, «радисты» полагали, что работа мозга отличается от деятельности остального тела.
Но тем, кто считал мозг чем-то особенным с биологической точки зрения, пришлось постепенно сдавать свои позиции. За следующие несколько десятилетий «повара» открыли множество химических соединений, передававших сигналы только в мозге, – так называемых нейротрансмиттеров. Эти открытия подорвали гегемонию «радистов», и в 1960-е годы большинство ученых включали нейротрансмиттеры в свое понимание работы нейронов.
На самом деле происходит вот что. Когда нейрон «срабатывает», то по его аксону от основания до оконечности распространяется электрический импульс – то самое электричество, которое «радисты» определили много лет назад. Но электричество не может прыгать между клетками и даже преодолеть синаптическую щель шириной 0,00002 миллиметра, отделяющую один нейрон от другого. Поэтому аксон должен переводить электрические сигналы на язык химических соединений, которые могут преодолеть этот промежуток.
Как химическая база снабжения, оконечность аксона хранит и производит всевозможные вещества – нейротрансмиттеры. В зависимости от сообщения, которое нужно передать, она упаковывает отдельные нейротрансмиттеры в крошечные пузырьки. Затем эти пузырьки выгружают свое содержимое в синапс, позволяя нейротрансмиттерам пересекать промежуток и соединяться с дендритами соседних нейронов.
Присоединение нейротрансмиттеров заставляет эти нейроны посылать электрические сигналы в собственные аксоны. На этом этапе, когда сообщение получено, начинается уборка. Соседние глиальные клетки удаляют избыточные молекулы нейротрансмиттеров из синаптической щели либо всасывая их, либо высвобождая хищные энзимы, которые разлагают их на части. Это возвращает синапс в исходное положение, чтобы нейрон мог сработать снова. Весь этот процесс занимает миллисекунды.
В целом вы можете думать о мозге как в терминах «поваров», так и в терминах «радистов», в зависимости от того, что и где вы измеряете, – подобно тому, как фотоны одновременно являются и волнами, и частицами.
Так или иначе, химический аспект оказался гораздо более сложным. Мозг содержит сотни видов нейронов, где электрические импульсы передаются практически одинаково. Но нейроны используют более сотни разных нейротрансмиттеров (11), передающих различные нюансы мышления.
Определенные нейротрансмиттеры (например, глутамат) возбуждают нейроны, а другие (например, гаммааминомасляная кислота – ГАМК) действуют как ингибиторы[14] и анестетики. Некоторые процессы в головном мозге приводят к одновременному выбросу возбуждающих и тормозящих веществ. (Например, когда ствол мозга индуцирует сонное состояние, он порождает сны, возбуждая определенные нейроны, но парализует наши мышцы, ингибируя другие нейроны.) Таким образом, нейрон на приемной стороне сигнала должен аккуратно распробовать «суп» из нейротрансмиттеров на ближайшем синапсе и оценить каждый ингредиент – перед тем как решить, нужно ли сработать или нет. Суп должен иметь правильный вкус, чтобы вызвать должную реакцию.
