Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Можно считать, что исследование рефлексов началось с Рене Декарта (1596–1650), который, как мы уже видели, будто бы выбрасывал кошек из окон. Если он и правда проводил когда-либо такой опыт, то целью его, вероятно, было доказать, что животные — бездушные машины, которые напрямую переводят внешние раздражители в моторные действия, то есть он пытался продемонстрировать, что поведение животных представляет собой просто набор автоматических реакций. В своих исследованиях Декарт защищал идею дуализма сознания и тела : он считал, что сознание представляет собой сущность, отдельную от материального тела и не подчиняющуюся физическим законам, которые управляют телом. С точки зрения Декарта, человеческое сознание (или душа) контролирует тело посредством шишковидной железы в мозге. Современная наука отказалась от идеи дуализма и считает, что мыслительный процесс и людей, и животных протекает исключительно в мозге.

Происхождение же самого термина «рефлекс» можно проследить до Томаса Уиллиса (1621–1675), оксфордского профессора и члена-основателя того, что позже стало Королевским обществом Лондона. В 1664 г. Уиллис опубликовал важную работу о функции мозга, озаглавленную «Анатомия мозга» (Cerebri anatome). В ней ученый рассуждает о том, что сенсорные сигналы, такие как вид и звук, направляются к церебральной коре мозга, в результате чего возникают сознательное восприятие и память. Однако он считал, что некоторые из этих входных сигналов «отражаются» (рефлексируются) обратно к мышцам через мозжечок, что порождает автоматические движения, или «отражения», «рефлексы».

Уиллис, будучи английским врачом, провел бесчисленное множество вскрытий, что позволило ему прояснить в значительной степени анатомию мозга. Он выяснил, что в структуре мозга можно выделить три основных компонента: cerebrum, cerebellum и brainstem . Внешняя часть большого мозга ( cerebrum ) называется cerebral cortex (кора головного мозга), или просто корой, и содержит в себе нервные клетки, или нейроны, вовлеченные в высшую нервную деятельность: это «серое вещество» мозга. Пирамидные , или корково-спинномозговые, пути представляют собой нервные волокна, по которым сигналы от коры мозга передаются к его стволовой части и спинному мозгу, тогда как таламус передает информацию от органов чувств к коре мозга. Мозжечок, который лежит ниже и сзади по отношению к большому мозгу, участвует в координации мышечных движений и специфичных вариантов поведения, таких как поза и равновесие. Стволовая часть мозга, которую можно, в свою очередь, разделить на средний мозг, Варолиев мост и продолговатый мозг, отвечает за автоматические функции тела, такие как дыхание и сердечная деятельность.

Поначалу прогресс в исследовании рефлексов шел медленно. На протяжении более чем столетия исследователи вслед за Уиллисом считали именно головной мозг центром рефлекторных действий, а спинной мозг всего лишь средством передачи информации (по существу, набором проводов) от органов чувств к мозгу. Ошибочность этой точки зрения доказал шотландский физик Роберт Уитт (1714–1766), который показал в 1765 г., что безголовая лягушка может тем не менее рефлекторно реагировать на внешние раздражители. Наблюдения Уитта указывали на то, что многие рефлекторные реакции можно связать с конкретными сегментами спинного мозга: разные рефлексы контролируются из разных частей этого мозга. В качестве непосредственного результата работ Уитта ученые сделали вывод о том, что сознательные действия управляются головным мозгом, а рефлекторные действия — спинным.

Реальность, как мы вполне можем себе представить, намного сложнее. Исследования XIX в. сделали большое дело и помогли нам разобраться в рефлекторных действиях как в целом, так и в деталях. В начале столетия шотландский хирург Чарльз Белл (1774–1842) продемонстрировал, что существует два различных типа нервов, по которым информация передается по телу. Белл различал сенсорные нервы, передающие информацию центральной нервной системе, и моторные нервы, передающие команды от центральной нервной системы к мышцам и органам. Белл опубликовал свои откровения в 1811 г. в книге под названием «Идея о новой анатомии мозга».

Английский физиолог Маршалл Холл (1790–1857) на основе наблюдений Белла построил и сформулировал первую полную теорию рефлекторных действий, предложив при этом термин рефлекторная дуга для описания полного процесса реализации рефлекса {4} . Теорию Холла, в общем и целом верную, можно объяснить на примере коленного рефлекса. Удар докторского молоточка служит для коленного сухожилия стимулом ; стимул возбуждает сенсорный нерв, который передает сигнал определенному сегменту спинного мозга, который посылает обратно по моторному нерву подходящей четырехглавой мышце команду дернуть ногой.

Кроме того, коленный рефлекс — прекрасный образец одного из важнейших свойств рефлексов, также открытого Чарльзом Беллом и известного как реципрокное (сопряженное) торможение . Когда запускается коленный рефлекс, возникает не только сигнал от спинного мозга с командой четырехглавой мышце сократиться и дернуть ногой, но и сигнал противодействующей мышце, мышце-антагонисту , с командой расслабиться. Именно благодаря торможению мышцы-антагониста противодействующие мышцы не борются друг с другом — ведь это привело бы не только к пустой трате энергии, но потенциально могло бы вызвать мышечную травму. Как мы вскоре увидим, торможение мышечного действия играет огромную роль в работе нервной системы. В статье 1823 г. о мышцах, обеспечивающих движение глаза, Белл описывает такую реакцию:

Нервы так долго рассматривались только как инструмент стимулирования мышц, без всякой мысли об их действии в противоположном смысле, что здесь, возможно, необходима будет дополнительная иллюстрация. Через нервы устанавливается связь между мышцами, причем не только та связь, посредством которой обеспечивается сложение усилий разных мышц в одном действии, но и та связь между классами мышц, благодаря которой одна группа расслабляется, когда другая сокращается {5} .

В эпоху Белла было сделано еще одно ключевое открытие, наглядно демонстрирующее сложность рефлексов. Исследователи обнаружили, что один и тот же рефлекторный ответ может вызываться многими разным входящими воздействиями-раздражителями, способными изменить силу и природу рефлекса, и что среди этих входящих воздействий могут быть не только различные чувства, но и сознательный контроль разума. Классический рефлекс такого рода — болевой рефлекс отдергивания, который заставляет руку отдергиваться от горячей поверхности или открытого пламени. Однако, как любят демонстрировать злодеи в приключенческих фильмах, этому рефлексу можно противостоять, удерживая руку над огнем даже при очень сильной боли {6} . Коленный рефлекс, напротив, является простым и не может контролироваться сознательно: как бы вам ни хотелось сдержаться, нога все равно дернется.