Нобелевские лауреаты. Герберт Гассер: нервный ток
Наш нынешний герой - удивительный человек, американский врач и ученый, переживший две мировые войны, - основал нейрофизиологию как науку, впервые расшифровал «язык» мозга и, по мистическому стечению обстоятельств, умер от мозгового заболевания. В своих научных амбициях он сумел заглянуть в мыслительный аппарат человека - туда, где даже сейчас есть сотни неразгаданных вопросов и неубедительных гипотез. Речь пойдет о Герберте Гассере, «медицинском» нобелевском лауреате 1944 года. Формулировка Нобелевского комитета: «за открытия, имеющие отношение к высокодифференцированным функциям отдельных нервных волокон».
Герберт Спенсер Гассер. Родился 5 июля 1888 г. в Висконсине, США. Умер 11 мая 1963 г. в Нью-Йорке, США. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1944 года (1/2 премии совместно с Джозефом Эрлангером).
Отец Герберта - Герман Гассер - работал врачом и, видимо, сумел воспитать у маленького сына интерес к тому, как устроен человеческий организм, что не могло не сказаться на его дальнейшей судьбе. Мать, Джейн Грисволд, была обычной учительницей в средней школе небольшого висконсинского города Платтвилла, куда и пошел учиться будущий нобелевский лауреат.
По воспоминаниям самогό Гассера, никаких развлечений, кроме выездов на природу, у школьников не было. Единственным удовольствием стало владение камерой Kodak и увлечение фотографией. Потом оно пригодилось во время занятий физиологией. А еще он очень любил читать. В том числе - отцовские книги, среди которых попадались труды Чарльза Дарвина и Герберта Спенсера (кстати, тёзки нашего героя). Таким образом, «главной улицей» Герберта Гассера стал его путь в науку. А точнее - в биологию. Начало его лежало в Висконсинском университете: в 1907 году Гассер поступил на отделение зоологии и, закончив его в 1909-м, перешел в университетскую медицинскую школу, где изучал физиологию под руководством Джозефа Эрлангера (рис. 1) и фармакологию под руководством Артура Лёвенхарта. Надо сказать, Эрлангер взял шефство над столь способным учеником и принял его к себе в ассистенты. Так Герберт Гассер получил первую ставку и опубликовал несколько научных статей о биохимических и неврологических сигналах, регулирующих частоту сердечных сокращений.
Рисунок 1. Джозеф Эрлангер (1874-1965). Американский физиолог, занимавшийся преимущественно кардиологией и нейрофизиологией. Вместе с Гассером изучал возбудимость нейронов и идентифицировал разные типы нервных волокон, вместе они и Нобелевскую премию 1944 года получили.
Вдохновившись примером своего учителя, он, так же как и Джозеф Эрлангер в свое время, решает перевестись в медицинскую школу Университета Джонса Хопкинса (1913), где два года спустя получает заветные буквы «M.D.» в качестве дополнения к фамилии. Спустя еще четыре года он вновь присоединяется к Эрлангеру, который уже работает заведующим физиологическим отделением в медицинской школе Университета Вашингтона в Сент-Луисе. С того момента учителя и ученика объединяла не только безраздельная любовь к науке, но желание выяснить, как «общаются» между собой нервные клетки головного мозга. И тут не обошлось без электричества...
Еще Фарадей сказал: «Как ни чудесны законы и явления электричества, которые мы наблюдали в мире неорганического вещества и неживой природы, интерес, который они представляют, вряд ли может сравниться с тем, что вызывает та же сила в соединении с нервной системой и жизнью». Организм человека и животных является полностью электрифицированной системой: чтобы двинуть ногой или бросить взгляд, мозг направляет по нервам к мышцам электрический нервный импульс (рис. 2) и получает от них «отчет о проделанной работе» тоже в виде электрического сигнала.
Герберт Спенсер Гассер всю жизнь ставил научные интересы выше личных. Так ни разу и не женившись, он воплотил всю свою творческую энергию в научных экспериментах, монашески посвятив жизнь нейрофизиологии. Фамилия Гассер звучала слишком грубым немецким акцентом в Америке, а всё потому, что она происходила от немецкого слова «Gasser», означающего главную улицу и произносимого в Австрии (откуда эмигрировал его отец) с особым тирольским придыханием.
Рисунок 2. Процесс распространения нервного импульса по отростку нервной клетки происходит за счет мгновенного перезаряда внешней и внутренней сторон мембраны клетки [1].
Потенциал действия одной клетки настолько мал, что, даже если сложить потенциалы сотен тысяч клеток мозга и подключить к ним один провод, этого электричества не хватит, чтобы зажечь одну лампочку. Не меньшей проблемой является создание прибора, который будет столь высокочувствителен, что сможет регистрировать этот сигнал. Еще во время обучения в Университете Джонса Хопкинса Герберт Гассер вместе с коллегой из Висконсина Сидни Ньюкомер занялся усилением электрических сигналов от отдельных нервных волокон с помощью вакуумных трубок (точно такие же устройства применял небезызвестный Маркони, который тоже получил «нобеля» - за изобретение радио).
Однако работы пришлось прервать - как и многим другим ученым в мире. В научные эксперименты вмешалась Первая мировая война. Герберт Гассер замораживает эксперимент и приступает к изучению травматического шока, что важно для помощи раненым бойцам с потерей крови [2]. Его вовлекают и во многие другие фармакологические исследования в отделе Химической военной службы в Вашингтоне. Однако сразу после окончания войны Гассер возвращается к своим экспериментам и публикует вместе с Ньюкомером статью об усилении нервных импульсов [3], которые он регистрирует с помощью обычного пружинного гальванометра. Однако ученым сразу становится понятно, что для регистрации амплитуды нервного импульса нужен более современный прибор, чем гальванометр. Этот прибор должен одновременно считывать все параметры изменения электрического сигнала и записывать их на ленту. Говоря современным языком, ученые нуждались в осциллографе.
С 1880 года начали появляться различные варианты осциллографов: полуавтоматический сменился магнитоэлектрическим, и в доработанном компанией Western Electric виде к 1920 году он представлял собой катодную трубку - аналог той, которая находилась в наших телевизорах до появления плазм и ЖК-экранов (рис. 3). Именно таким осциллографом Гассер и Эрлангер регистрируют запись «языка» головного мозга в виде электрических импульсов, возникающих на нервных клетках [4].
Рисунок 3. Осциллограф Вуда (1923 год). Этот архетип современных осциллографов разработал Джозеф Томсон - «физический» нобелевский лауреат 1906 года (в том числе за открытие электрона), - а сконструировал и протестировал «акустический гений» Альберт Вуд.
Они впервые поняли, что общий «шум» на ленте осциллографа - это не что иное, как совокупность электрических импульсов от различных нервов, причем скорость проведения электрического сигнала зависит от толщины нервного волокна. Чем толще нерв, тем быстрее он способен передавать сигнал (рис. 4). Эту гипотезу высказал впервые еще в 1907 году шведский физиолог Густав Гётлин, но с тех пор ее никто даже не пытался проверить.
Рисунок 4. Иллюстрация к нобелевской лекции Герберта Гассера «Нервные волокна млекопитающих». Приведена первая классификация нервных волокон в зависимости от скорости проведения нервного импульса. Гассер предложил выделить условные группы: А (0,45 миллисекунд), В (1,2 миллисекунды) и С (около 2,0 миллисекунд). Рисунок из [5].
Гассер выяснил, что одни нервы, которые потом назвали афферентными, передают сигнал только о наших ощущениях, а другие нервы - эфферентные - отвечают только за движение мышц.
Вот пример. При кокаиновой интоксикации у человека возникает расторможенность в теле, эйфория и снижение болевой чувствительности, и связано это, как оказалось в результате экспериментов Гассера, с блокированием кокаином проведения нервного импульса сначала по толстым волокнам группы С, а затем - по тонким волокнам группы А. Недостаток кислорода тоже в своем роде «действует на нервы» - сначала отключая волокна А, а потом уже С.
Рассуждая о значении этих типов волокон, в своей нобелевской лекции Гассер сообщает: «Одно из открытий, ярко выделяющееся в общей картине, привело нас к очень простому выводу: волокна групп А и С отвечают за формирование ощущения боли вообще» [5].
Для наглядности классификации Гассер внес все параметры в единую таблицу, которую и сейчас можно найти в современных медицинских справочниках. Эти опыты значительно продвинули ученых в понимании механизма возникновения боли и легли в основу нового направления - нейрофизиологии. Все полученные сведения позднее вошли в теорию нервной проводимости, разработанную нобелевскими лауреатами Аланом Ходжкином и Эндрю Хаксли в 1952 году.
Эти эксперименты дали серьезный толчок научной карьере Герберта Гассера, и в 1921 году его повышают до профессора фармакологии в Вашингтонском университете.
Через два года Гассер уезжает в Европу, получив грант на обучение, где продолжает начатую работу с известными учеными Арчибальдом Хиллом и Генри Дейлом [6], каждый из которых впоследствии получит Нобелевскую премию по физиологии и медицине - в 1922 и 1936 годах соответственно. По возвращении в 1931 году Герберт Гассер становится профессором психологии и главой медицинского департамента в Корнелльском университете в Нью-Йорке, а спустя четыре года уже возглавляет Рокфеллеровский институт медицинских исследований (сейчас Рокфеллеровский университет), позже пополнив список его почетных членов. Впрочем, в 1930-х годах Гассеру стало особо не до собственных занятий наукой: руководить институтом в период после Великой депрессии - не самая спокойная работа. А в 1936 году у Гассера появилась еще одна важнейшая должность - главный редактор The Journal of Experimental Medicine, - которую он исполнял по 1957 год.
В 1937 году в соавторстве с Эрлангером Гассер пишет книгу «Электрическая регистрация нервной деятельности» [7] и пытается продолжить работу, но тут снова вмешивается война, на сей раз - Вторая мировая, которая замораживает многие научные проекты в пользу военных разработок. Присужденную в 1944 Гассеру и Эрлангеру Нобелевскую премию «за открытия, имеющие отношение к высокодифференцированным функциям отдельных нервных волокон» вручили только год спустя, когда закончились военные действия. Тогда же Гассер и прочел свою лекцию «Нервные волокна млекопитающих» [5]. А сразу после присуждения премии руководитель отделения нейрофизиологии Королевский Каролинский институт Рагнар Гранит (рис. 5) выступил по радио с речью об открытиях, сделанных Эрлангером и Гассером:
«В 1907 году шведский физиолог Густав Гётлин предположил, что скорость проведения импульса толстыми нервными волокнами больше, чем тонкими. Основанием для такого взгляда была формула Томсонадля кабельной проводимости. Это предположение дало физиологическую интерпретацию хорошо известного факта, что отдельные волокна нервного ствола могут отличаться в поперечном сечении. Некоторые волокна составляют менее 0,001 мм в диаметре, другие чуть больше 0,020 мм. Лапи́к и его коллеги с 1913 года опубликовали несколько работ, в которых были выдвинуты косвенные доказательства в поддержку этой точки зрения. В серии замечательных исследований - замечательных в отношении как техники, так и ценности полученной информации - Эрлангер и Гассер доказали эту гипотезу. Как это часто бывает в экспериментальных науках, дополнительные шаги, необходимые для полной ясности и развития новой методики, привели к росту экспериментального поля и повышению значимости этой тематики. Вроде бы простые волокна оказались наделены высокой степенью дифференциации. Рассмотрение нервных волокон как продолжения нервных клеток имело важные последствия для познания физиологии высших центров, таких как головной и спинной мозг. Этому факту следует придать особое значение в оценке важности работы Эрлангера и Гассера» [8].
Рисунок 5. Рагнар Гранит (1900-1991). Шведский нейрофизиолог, нобелевский лауреат 1967 года («за открытия, связанные с первичными физиологическими и химическими зрительными процессами, происходящими в глазу»), зачитывавший торжественную речь о достижениях Эрлангера и Гассера.
В 1953 году Гассер уходит с поста директора Рокфеллеровского института и продолжает заниматься изучением типов нервных волокон; впервые применяет электронный микроскоп для неврологических изысканий. Но, увы, работать ему оставалось недолго. По иронии судьбы, именно нервные центры и пострадали: ученого поразил инсульт. Последние годы жизни он провел прикованным к постели. Впрочем, титулы и звания продолжали сыпаться на Гассера: наш герой заслужил почетные степени четырех университетов и огромный список титулов. Он был членом Национальной академии наук, Американской ассоциации по развитию науки, Американского физиологического общества, Американского общества фармакологии и экспериментальной терапии, Ассоциации американских врачей, Американского философского общества и Гарвеевского общества. Впрочем, что более важно - его до сих пор вспоминают не только как ученого, но и как обаятельного и очень гостеприимного человека, на первом месте у которого всё же была наука.
Cтатья написана авторами портала для сайта "Биомолекула" и портала "Нейротехнологии.РФ".
Литература
1. биомолекула: «Формирование мембранного потенциала покоя»;
а. Erlanger J., Gesell R., Gasser H.S. (1919). Studies in secondary traumatic shock. I. The circulation in shock after abdominal injuries. Am. J. Physiol. 49, 90-116;
2. б. Erlanger J. and Gasser H.S. (1919). Studies in secondary traumatic shock. II. Shock due to mechanical limitation of blood flow. Am. J. Physiol. 49, 151-173;
в. Erlanger J. and Gasser H.S. (1919). Studies in secondary traumatic shock. III. Circulatory failure due to adrenalin. Am. J. Physiol. 49, 345-376;
3.Gasser H.S. and Newcomer H.S. (1921). Physiological action currents in the phrenic nerve. An application of the thermionic vacuum tube to nerve physiology. Am. J. Physiol. 57, 1-26;
4. Erlanger J. and Gasser H.S. (1922). A study of the action currents of nerve with the cathode ray oscillograph. Am. J. Physiol. 62, 496-524;
4. Mammalian nerve fibers. Нобелевская лекция Г. Гассера (1944);
5. http://med-history.livejournal.com/23926.html;
6. Erlanger J. and Gasser H.S. Electrical signs of nervous activity (2nd edition). Philadelphia: University of Pennsylvania Press, 1970. - 256 p.;
7. Речь Р. Гранита на церемонии вручения Нобелевской премии по физиологии и медицине 1944 года. Сайт Нобелевского комитета.
Виктория Зюлина