Научное сообщество отметило 100-летие Нобелевских премий – самых престижных наград в современном мире. На наш взгляд, информация относительно работ Нобелевских лауреатов в российских изданиях явно недостаточна, и потому мы предлагаем читателю краткое обобщение исследований по одному из главных направлений развития биологии и медицины, а именно в области наук о поведении, нервной регуляции и сенсорных процессах. Официальные формулировки Нобелевского комитета не всегда понятны нашему современнику, поэтому здесь они заменены свободным изложением ("Суть открытия").

В 1870-1880-е гг., исследуя желудочную секрецию у собак, Павлов обнаружил стимулирующее действие парасимпатических нервных волокон и тормозное действие симпатических. В опыте мнимого кормления проглоченная пища вываливалась из перерезанного пищевода обратно в миску, и собака поглощала ее вновь и вновь. Пища в желудок не попадала, но его слизистая оболочка активно вырабатывала сок, который через фистулу собирали для исследования. После перерезки блуждающих нервов усиления сокоотделения при мнимом кормлении уже не происходило. Так Павлов показал, что усиление желудочной секреции регулируется мозгом, который получает сигналы от рецепторов в полости рта. Павлов показал, что состав сока и скорость его выделения зависят от характера пищи, например, пищевые жиры тормозят секрецию желудочного сока. Павлов так называемую "психическую секрецию", что привело его к открытию условных рефлексов. Он исследовал также нервную регуляцию поджелудочной железы, пищеварительные ферменты и механизмы их активации.

В 1870-е гг., работая в собственной кухне, переоборудованной под лабораторию, Гольджи изобрел способ окраски нервных клеток нитратом серебра. Он делал тончайшие срезы и прокрашивал их. В результате нейроны приобретали черный цвет и были хорошо видны на фоне других клеток. Тем не менее Гольджи продолжал считать, что нервная система представляет собою синцитий. Рамон-и-Кахаль опровергал эту теорию, на что Гольджи просто отвечал молчанием. Рамон-и-Кахаль усовершенствовал метод Гольджи и делал более точные рисунки нервной ткани. Он доказал, что нервные волокна, прилегая друг к другу, не сливаются. Так он опроверг теорию синцития. С 1890 г. Рамон-и-Кахаль полемизировал в печати с Гольджи, доказывая, что нервная система состоит из отдельных клеток – нейронов.

Гульстранд в 1890-е гг. изменил теорию формирования зрительного изображения и создал ее точное математическое описание. Ему удалось проследить прохождение света через среду, коэффициент рефракции которой изменяется от слоя к слою. Так, Гульстранд показал, что две трети изменения преломляющей способности хрусталика вызваны изменением его формы, а одна треть – событиями, происходящими в его полужидком содержимом. Прохождение луча через экваториальную часть хрусталика оказалось не прямолинейным, как в стеклянных линзах: в процессе участвовали волокна хрусталика S-образной формы. Он объяснил явления анизотропной несимметрической и монохроматической аберраций глаза, дал описание преломляющей функции роговицы. Гульстранд предложил (1911) щелевую лампу и неотражающий офтальмоскоп.

Барани обнаружил, что промывание уха неизменно приводит к появлению нистагма и головокружения. Однажды пациент сказал, что головокружение вызвано тем, что промывающая вода была холодна. Тогда Барани использовал теплую воду, и пациент вновь пожаловался на головокружение. Направление нистагма было противоположным по отношению к тому, который наблюдался при использовании холодной воды. Охлаждение полукружных каналов: повышало плотность эндолимфы, и она текла вниз. Нагревание снижало плотность и эндолимфа двигалась вверх. Движение эндолимфы в полукружных каналах и вызывало нистагм и головокружение. После вращения пациента вокруг вертикальной оси возникал вращательный нистагм. Барани установил связь между направлением вращения тела, направлением нистагма и изменением тонуса скелетных мышц. Он исследовал локальные повреждения коры мозжечка и установил расположение нем некоторых нервных центров.

Перерезая корешки спинного мозга, Шеррингтон составил карту иннервации тела. Он установил, что в составе нервов есть и афферентные, и эфферентные волокна, что нервы из каждого корешка идут ко многим мышцам, а каждая мышца получает иннервацию из разных корешков. Он описал сложное взаимодействие нервных центров, управляющих различными мышцами, в том числе реципрокные отношения между мотонейронами мышц-антагонистов. Он описал также явление суммации возбуждающих и тормозных сигналов, утомление нервных центров. В 1897 г. Шеррингтон ввел понятие синапс. Результаты своих исследований он обобщил в книге Интегративная деятельность нервной системы (1906).

С 1925 г. Эдриан, растягивая тонкий пучок, выделенный из мышцы лягушки, пытался зарегистрировать импульсы, передаваемые по единичному нервному волокну. Они показал, что от силы растяжения мышцы зависит не амплитуда электрических импульсов (потенциалов действия), а их частота. Это подтвердило закон все или ничего. Так был открыт главный принцип кодирования информации в нервной системе – передача информации о раздражителях любой модальности происходит в виде частотно-импульсного кода. Кроме того, сильный стимул вовлекает в реакцию большее число одиночных нервных волокон. Сигналы от разных рецепторов направляются в разные нервные центры, и это тоже обеспечивает специфичность ответа. Эдриан описал явление адаптации: если внешнее воздействие долго остается неизменным, то частота возникновения потенциалов действия в рецепторах постепенно снижается. Органы чувств, таким образом, обладают огромными возможностями приспособления к окружающей среде и реагируют только на ее изменения.

В 1914 г. Дейл показал, что эффекты ацетилхолина (АЦХ) подобны результатам возбуждения парасимпатической нервной системы, а в 1929-1936 гг. доказал, что ацетилхолин является медиатором в ганглиях автономной (вегетативной) нервной системы и в нервно-мышечной передаче. В 1921 г. Леви раздражал парасимпатические волокна, иннервирующие сердце лягушки, и переносил раствор из камер сердца в сердце другой лягушки. Сокращения второго сердца урежались. Возбуждающее действие симпатических волокон также удавалось передать с помощью жидкости. Так было доказано, что возбуждение передается с нервных окончаний на эффектор химическим путем. В 1926 г. Леви доказал, что медиатором парасимпатических нервных окончаний является АЦХ. Дейл установил, что АЦХ появляется в автономных ганглиях после стимуляции нервов, и постулировал существование ацетилхолинэстеразы, расщепляющей АЦХ. В 1936 г. Леви заявил, что медиатором симпатических нервных окончаний является адреналин (позднее выяснилось, что это норадреналин — см."1970").

С 1924 г. Эйманс проводил опыты по перекрестному кровообращению и показал, что накопление СО2 и снижение напряжения О2 приводят к учащению дыхания. Наоборот, гипервентиляция на время останавливала дыхательные движения. После перерезки блуждающих нервов ни один из этих эффектов не воспроизводился. Так было доказано, что блуждающие нервы передают информацию от хеморецепторов каротидного синуса и дуги аорты. Эйманс подтвердил это в опытах с гипервентиляцией газовой смесью с высоким содержанием СО2 и низким О2.

В 1920-е гг. Эрлангер и Гассер исследовали потенциалы действия (ПД) в нерве с помощью приборов собственной конструкции. К 1932 г. они добились достаточно степени усиления сигнала и получили классическую картину ПД. Они работали с целым нервом лягушки и вскоре Гассер доказал, что рисунок на экране осциллографа, есть сумма нескольких ПД, с разной скоростью приходящих по разным нервным волокнам. Эрлангер и Гассер классифицировали нервные волокна по их диаметру, степени миелинизированности и скорости проведения возбуждения на группы А, В и С; группу А они разделили на подгруппы Аб, Ав, Аг и Ад. Гассер продемонстрировал виды следовых потенциалов в нервных волокнах разных типов.

С 1925 по 1940 гг. Хесс экспериментировал на кошках, в мозг которых вживлял электроды диаметром в 0.2 мм, изолированные по всей своей длине за исключением самого кончика. Наркотизированное животное помещали в стереотаксический аппарат и через отверстие в черепе электрод вводили в мозг. Хесс раздражал током ограниченный участок мозговой ткани, или, увеличив силу тока, разрушал его, наблюдая соответственно усиление или выпадение функций, регулируемых промежуточным мозгом. Стимуляцией различных зон Хесс вызывал у животного сон, агрессивное поведение, дефекацию, мочеиспускание, изменение кровообращения и дыхания. Это были сложные и координированные акты, в осуществлении которых участвовали многие органы. Результаты исследований Хесс смог опубликовать только после окончания войны (Функциональная организация промежуточного мозга, 1948).

После Первой мировой войны в Венгрии фон Бекеши на трупах исследовал барабанную перепонку, ее мышцы и сухожилия стремечка. Фон Бекеши приставлял ножку камертона к телу и с помощью стробоскопа наблюдал за вибрацией базилярной мембраны улитки. Колебания высокой частоты вызывали появление бегущей волны с максимумом, положение которого относительно начала мембраны (овального окна) зависело от частоты колебаний (чем выше частота, тем ближе к основанию улитки располагался максимум). Он построил механическую модель улитки - заполненную водой пластиковую трубку с внутренней мембраной длиной в 30 см. Фон Бекеши положил на мембрану собственную руку и обнаружил, что чувствует колебания мембраны только на ограниченном участке кожи длиной в 2-3 см. При изменении частоты вибрации этот участок смещался вдоль оси мембраны (и кожи предплечья экспериментатора). Двух циклов синусоидальной вибрации было достаточно для возникновения строго локального ощущения в коже. Так был открыт принцип кодирования звуков высоких частот.

К 1952 г. Ходжкин, Хаксли и Кац (Нобелевская премия 1970 г.) в опытах на гигантском аксоне кальмара с помощью тонких стеклянных микроэлектродов установили, что в покое мембрана возбудимой клетки высоко проницаема K+ и малопроницаема для Na+. Неравенство концентраций каждого из этих ионов внутри клетки и снаружи обусловливает возникновение разности электрических потенциалов (потенциал покоя). Возбуждение сопровождается резким повышением натриевой проницаемости небольшого участка мембраны, разность потенциалов исчезает, затем возникает с противоположным знаком (потенциал действия). Окончание возбуждения связано с восстановлением исходных проницаемостей для ионов. Авторы дали математическое описание процесса возбуждения.

Эклс изучал проведение возбуждения в нервно-мышечных контактах и в синапсах спинного мозга. К 1944 г. он убедился в том, что передача осуществляет с помощью ацетилхолина и что в результате ее на постсинаптической мембране образуется возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). Несколько таких ВПСП, образованных работой близко расположенных синапсов, могут складываться, и когда их суммарная величина достигает критического (порогового) уровня, возникает потенциал действия, который распространяется до следующего синапса и т.д. Не менее важным было открытие тормозных тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП). Складываясь алгебраически, ВПСП и ТПСП определяют состояние клетки.

В начале 1930-х гг. Гранит обнаружил, что освещение одних участков сетчатки человека вызывает торможение ответной реакции с соседних ее областей. Это способствовало выделению изображения из фона (позднее этот механизм был детально описан Хьюбелом – Нобелевская премия 1981г.). Анализируя электроретинограмму, Гранит показал, что зрительный образ создается взаимодействием возбуждения и торможения в самой сетчатке. В 1940-е гг. Гранит доказал, что существуют три типа колбочек, каждый из которых обладает чувствительностью к своему участку спектра (красному, зеленому и синему).

Еще в 1923 г. Хартлайн зарегистрировал электрические токи в одиночном волокне зрительного нерва краба. В 1931 г. он описал код, с помощью которого передаются сигналы от рецепторов по волокнам зрительного нерва. Он сформулировал принципы по которым сенсорные клетки оценивают, кодируют и передают в мозг параметры раздражителя. В 1950-е годы Хартлайн доказал существование в сетчатке позвоночных латерального торможения, улучшающего восприятие формы и движения.

В 1932 г. Уолд выделил из сетчатки зрительный пигмент родопсин и показал, что его молекула состоит из двух частей: белка опсина и ретиналя, или хромофора (альдегида витамина А). В 1950 г. Уолд синтезировал родопсин и выяснил механизм, посредством которого свет запускает реакции в палочках сетчатки – переход ретиналя из цис-формы в транс-форму (цис-транс-изомеризация). Уолд показал, что различия в способности колбочек поглощать волны различной длины, обусловлены различиями в строении их опсинов. Так Уолд дал биохимическое обоснование открытиям Гранита.

В конце 1930-х гг. фон Эйлер обнаружил, что медиатором симпатических нервных окончаний является норадреналин (НА). В конце 1950-х гг. он показал, что НА хранится в симпатических нервах в везикулах. Фон Эйлер исследовал роль НА в развитии стресса.

В начале 1950-х гг. Аксельрод обнаружил, что эффект амфетаминов связан с активацией адренергических механизмов, медиаторами которых являются дофамин, норадреналин и адреналин. Аксельрод выделил катехол-О-метилтрансферазу (КОМТ) – фермент, который вместе с моноаминоксидазой (мао) отвечает за расщепление катехоламинов. Аксельрод описал квантовый характер высвобождения норадреналина, механизмы действия кокаина и резерпина – их влияние на выброс медиатора в синаптическую щель и на связывание его с постсинаптической мембраной.

В начале 1940-х гг. Кац показал, что медиатором нервно-мышечной передачи является ацетилхолин (АЦХ). В 1950 г. Кац установил зависимость между количеством выделяемого в синаптическую щель АЦХ и величиной электрического потенциала, возникающего на постсинаптической мембране. В 1954 г. Паладе (Нобелевская премия 1974 г.) с помощью электронного микроскопа обнаружил множество мельчайших пузырьков в пресинаптической области. Кац предположил, что это – хранилище АЦХ. Каждый пузырек содержит несколько тысяч молекул АЦХ, или один квант медиатора. Диффундируя через щель, АЦХ связывается с постсинаптической мембраной, вызывая образование там слабого электрического потенциала. Электрические потенциалы суммируются в потенциал концевой пластинки.

В 1919 г. фон Фриш заметил что, пчела, нашедшая блюдце с сахарным сиропом, возвратилась в улей и исполнила сложный танец, после окончания которого другие пчелы сразу же вылетели в нужном направлении. Детально изучив танцы пчел, он показал, с помощью каких движений они передают информацию о направлении на источник пищи, расстоянии до него и количестве пищи, которая там находится.

Наблюдая за поведением только что вылупившегося утенка, Лоренц обнаружил, что тот ходит за ним по пятам: первый увиденный движущийся предмет утенок запоминал навсегда и впредь следовал только за ним (импринтинг). В естественных условиях импринтинг обеспечивает связь с матерью. Для объяснения Лоренц привлек гипотезу фон Хольста о хранящихся в мозге генетически обусловленных, но до времени заторможенных программах двигательных актов. Тинберген провел годы в наблюдениях за поведением птиц в естественных условиях обитания. В предвоенные годы он и Лоренц заложили основы новой науки о поведении животных – этологии. В 1950-1960-х гг. Тинберген в Англии экспериментально подтвердил ее основные гипотезы.

В 1950-1960-е гг. комиссуротомия (разрушение связей между двумя полушариями головного мозга) применялась для лечения наиболее тяжелых форм эпилепсии. Сперри создал методику, позволявшую получать вербальные ответы каждого из полушарий отдельно, и показал, что левое полушарие является центром абстрактного мышления и логического анализа (речь, письмо, вычисления), оно же играет ведущую роль в управлении поведением. Правое полушарие доминирует в осознании пространственных соотношений, понимании сложной взаимосвязи вещей, в восприятии слуховых сигналов и музыки. Оно почти полностью лишено способности к вычислениям.

Хьюбел и Визел показали как сигналы от сетчатки, подвергаются в мозге анализу по контрастности, контуру и движению по сетчатке. Каждый нейрон отвечает за определенную деталь в изображении. Упрощая, говорят, что одни нейроны читают буквы и составляют из них слоги, вторые составляют из слогов слова, а третьи объединяют их в предложения. Предложения пересылаются в высшие центры мозга, где возникает зрительное изображение и сохраняется память об изображении. Хьюбел и Визел показали, что клетки зрительной коры мозга собраны в колонки, и что в пределах каждой колонки нейроны выполняют одни и те же функции по интерпретации сигнала от глаз. Колонки объединяются в сверхколонки, площадью 2 х 2 мм, и в каждой анализируется информация, приходящая от соответствующей области глаза. Хьюбел и Визел описали, как эти процессы развиваются у новорожденного.

В конце 1950-х гг. Карлссон введением резерпина истощал в мозге запасы медиатора дофамина, и животные теряли способность совершать произвольные движения. Карлссон вводил им предшественник дофамина L-дофа, и утраченная способность восстанавливалась. Животные, получавшие предшественник другого медиатора – серотонина, не выздоравливали. Карлссон показал, что при болезни Паркинсона концентрация дофамина в базальных ганглиях резко снижена из-за дегенерации нейронов, вырабатывающих его. Устойчивый предшественник дофамина – L-дофа – оказался пригодным для лечения паркинсонизма.

Грингард установил, что медленная синаптическая передача включает в себя фосфорилирование белка. В ходе этой реакции фосфатные группы присоединяются к белку, и его форма и функции изменяются. Связывание дофамина с рецептором вызывает образование цАМФ, который активирует протеинкинказу А, а она добавляет фосфатные молекулы к белкам. Одна группа таких белков образует ионные каналы в мембране клетки, их фосфорилирование изменяет возбудимость нейрона. Дофамин и другие медиаторы могут воздействовать на белок DARPP-32, который изменяет функцию других белков в нейроне. В опытах на аплизии Кэндел показал, что научение зависит от расширения синапса, соединяющего сенсорные нейроны с двигательными нейронами – структурная основа памяти.

Механизм кратковременной памяти заключается в том, что в течение некоторого времени ионные каналы клеточной мембраны чувствительных нейронов сохраняют способность пропускать больше ионов К+, чем до научения. Это приводит к выходу увеличенного количества медиатора в синаптическую щель и усилению ответа двигательного нейрона, что проявляется усилением рефлекса. Сильный стимул вызывает в клетке образование цАМФ и активацию протеинкиназы А. Сигналы достигают ядра, и образование одних белков увеличивается, других – уменьшается. В результате синапс легче, чем прежде, передает информацию от чувствительного нейрона к двигательному. Это – основа следа в долговременной памяти. В отличие от кратковременной, долговременная память требует синтеза новых белков. Если подавить его, страдает долговременная память, но не кратковременная. В 1990-е годы Кэндел он показал, что подобные же изменения происходят и у млекопитающих.

1. Азимов А. Краткая история биологии / Пер. с англ.

М.: Центрополиграф, 2002. 224 с.

2. Блох А.М. Советский союз в интерьере Нобелевcких премий. СПб.: Гуманистика, 2001. 608 с.

3. Глязер Г. Новейшие победы медицины / Пер. с немец. М.: Молодая гвардия, 1966. 192 с.

4. Кветной И.М. От Гиппократа до Хьюмтрена. М.: Вузовская книга, 2001. 156 с.

5. Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия / Пер. с англ. В 2-х тт. М.: Прогресс, 1992. 775 + 861 с.

6. Самойлов В. О., Мозжухин А. С. Павлов в Петербурге-Петрограде-Ленинграде. Л.: Лениздат, 1989. 334 с.

7. Чолаков В. Нобелевские премии. Ученые и открытия / Пер. с болг. М.: Мир, 1987. 369 с.

8. Sourkes T.L. Nobel Prize Winners in Medicine and Physiology 1901-1965. London etc.: Aberland-Schuman, 1966. 464 p.

9. Nobel e-Museum. http://www.nobel.se