Страница 17 из 22
Условные рефлексы
Начало развитию науки о высшей нервной деятельности положил Иван Павлов – выдающийся врач, физиолог и ученый, который открыл условный рефлекс.
Процессами, протекающими в человеческом мозгу, и, в частности, рефлексами Павлов заинтересовался в 1869 г., когда еще учился в рязанской духовной семинарии. Однажды в руки ему попала книга профессора И. Сеченова «Рефлексы головного мозга», и оттуда Павлов узнал, что все происходящее в организме сводится к рефлексам. Как пояснял автор, нервные пути рефлекса образуют рефлекторную дугу, которая состоит из чувствительной ветви, передающей в мозг сигналы от органов чувств, и двигательной ветви, отходящей от мозга и идущей к «рабочим органам» – мышцам и железам. Загоревшись желанием изучить эту теорию глубже, Иван поступил в Петербургский университет на курс физиологии животных, после выпуска устроился на работу в физиологическую лабораторию Устимовича, а затем возглавил собственную лабораторию при клинике Боткина. Именно там он активно занялся вопросами пищеварения, точнее, причинами секреции (выделения) слюны и желудочного сока.
Казалось бы, железистые клетки стенок желудка начинают выделять сок в ответ на поступление пищи. Однако в ходе двух опытов на собаках Павлов доказал, что такое объяснение неверно. Разрезав пищевод собаки, ученый вывел его часть наружу через шею, а на желудок наложил фистулу – трубочку, один конец которой вставляется в стенку органа, а другой выводится на поверхность живота. В результате каждый проглоченный животным кусок еды выпадал, однако сок в желудке все равно образовывался и капал в специальный сосуд. Эти исследования показали, что при каждом приеме пищи желудочный сок вырабатывается независимо от того, попадает ли еда в желудок или нет.
Затем Павлов задался целью измерить количество выделяемой слюны в разных ситуациях и для этого наложил фистулу на околоушную слюнную железу, что оказалось непросто, ведь трубка должна была точно входить в выделительный проток железы. Но опыт удался, и, когда Павлов давал подготовленной собаке маленькие кусочки мяса, слюна капала из фистулы в специальный измерительный сосуд.
В последующих экспериментах ученый стал сочетать кормление со звуковым раздражителем – звонком или сигналом зуммера. В обычных условиях шум не вызывал у собаки выделения слюны, но все менялось, если звуковые эффекты повторялись перед кормлением, причем неоднократно. Возникал условный рефлекс, который, в отличие от врожденного, безусловного (выделения слюны каждый раз, когда в рот попадает пища), формируется постепенно, в зависимости от определенных обстоятельств.
Надо заметить, в конце XIX в. еще встречались люди (даже среди ученых), которые считали, что любые процессы в организме объясняются действием духовных сил. Однако Павлов понимал – объяснение явлений, наблюдаемых при выделении слюны, вполне материально, и его следует искать путем точных исследований.
Поразмыслив, ученый предположил, что при каждом воздействии раздражителя на вкусовые рецепторы возбуждается соответствующий центр мозга, после чего возбуждение передается в другой центр, управляющий деятельностью слюнной железы. Так объяснялся механизм безусловного рефлекса.
Если же одновременно с возбуждением центра, ответственного за вкусовые ощущения, многократно возбуждать центр, управляющий, например, слухом, то между ними установится связь, которую Павлов назвал временной. Благодаря этой связи всякое раздражение слухового центра будет приводить к возбуждению вкусового и передаваться в центр, руководящий выделением слюны.
В период выработки условного слюноотделительного рефлекса, положим, на свет лампочки подопытное животное получает корм после каждого включения оптического сигнала. Так условный рефлекс подкрепляется безусловным. Временный рефлекс не исчезнет, даже если прекратить его подкреплять, то есть включать световой раздражитель, пропуская кормление. Но если условный раздражитель будет действовать без подкрепления неоднократно, то слюноотделение от опыта к опыту станет уменьшаться, пока не прекратится совсем. Условный рефлекс угаснет.
Впрочем, Павлов доказал, что достаточно прочно запечатленные восприятия, а также взаимоотношения между ними не забываются. Конечно, если условный рефлекс подкреплялся всего несколько раз, его угасание наступает быстро, а на восстановление приходится затрачивать почти столько же усилий, сколько было вложено в первичную выработку. Иначе обстоит дело, когда условный раздражитель, звуковой или световой, подкреплялся много раз, – тогда условный рефлекс угасает медленно. Подкрепив его вновь, пусть даже после длительной паузы, мы убедимся, что восстановится он быстро, а значит, полностью не «забылся».
Впоследствии выводы Павлова оказались очень полезными для обучения и дрессировки. В жизни людей нередки ситуации, в которых обучение можно свести к временным связям: заучивание слов, включение света с помощью выключателя, остановка на красный свет, запоминание времени отправления поезда. То же касается и воспитания животных. Если при команде «сидеть» предлагать собаке корм, она действительно будет садиться на задние лапы, чтобы просто поесть. Однако кормление ассоциативно свяжется у нее с акустическим сигналом, и позже, когда привычка укоренится, животное продолжит выполнять команды уже без поощрения.
Таким образом, своими научными изысканиями Павлов добился поразительных результатов, позволивших расширить познания людей о работе всего организма и о процессах в коре головного мозга. Развитие медицины стало возможным во многом благодаря этому выдающемуся ученому.
Стволовые клетки
Технологии, основанные на использовании так называемых стволовых клеток, привлекают огромное внимание во всем мире. Но в массовом сознании использование стволовых клеток ассоциируется с клонированием и выращиванием человеческих эмбрионов «на запчасти».
«Ни одна область биологии при своем рождении не была окружена такой сетью предубеждений, враждебности и кривотолков, как стволовые клетки», – считает член-корреспондент РАМН, специалист в области медицинской клеточной биологии В. Репин. Хотя термин «стволовая клетка» был введен еще в 1908 г., статус отдельной науки эта область клеточной биологии получила лишь в последнее десятилетие ХХ века.
В 1999 г. журнал Science признал открытие стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Один из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймс Уотсон, комментируя открытие стволовых клеток, отметил, что устройство стволовой клетки уникально, поскольку под влиянием внешних «инструкций» она может превратиться в зародыш либо в линию специализированных соматических клеток.
В биологию понятие «стволовая клетка» ввел русский ученый Александр Максимов (1874—1928) на съезде Гематологического общества в Берлине. Максимов первым догадался, что обновление клеток крови – это особая технология, отличная от обычного клеточного деления. Если бы клетки крови самообновлялись стандартным способом, это требовало бы гигантских размеров костного мозга.
Толчком к развитию клеточной трансплантологии стали атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны. Ученые поняли, что человечеству требуется защита от радиации, и принялись искать эффективные средства. Первые трансплантации гемопоэтических стволовых клеток костного мозга были проведены облученным мышам, собакам и обезьянам, и эти операции оказали на животных восстановительное воздействие. Тем не менее понадобилось почти 20 лет, чтобы трансплантация костного мозга вошла в арсенал практической медицины. Только в конце 1960-х были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации костного мозга при лечении острых лейкозов.
Следующей значительной вехой в исследовании вопроса стало открытие российскими специалистами Александром Фриденштейном и Иосифом Чертковым стволовых клеток крови. В 1960—1970-е ученые описали и успешно культивировали фибробластоподобные клетки, получившие впоследствии название «мезенхимальные стромальные клетки». Так что именно Фриденштейну и Черткову принадлежит авторство создания учения о стволовых клетках. А в 1981 г. Мартин Эванс, Мэттью Кауфман и Гэйл Мартин впервые выделили эмбриональные стволовые клетки из эмбриобласта (внутренней клеточной массы раннего зародыша) мыши.