передачи более сложной информации от мозга и к мозгу? Как меняется информационное содержание сигнала, если нервы могут только возбуждаться или не возбуждаться? Совершенно очевидно, что нервы и мышцы действуют в гораздо более широком информационном спектре. Например, вы можете сгибать руку слегка и без напряжения или до упора и с максимальным усилием. И всем нам знакома ситуация, когда мы садимся в кресло или надеваем мягкий джемпер, и через какое-то время мы вообще перестаем это чувствовать. Подобные действия и ощущения явно не соответствуют принципу “все или ничего”.

В начале 1910-х годов инженер и электрофизиолог из Кембриджа Кит Лукас, уничтожив очередную партию лягушек, подтвердил, что мышечные волокна реагируют на сигнал только в том случае, если сила сигнала превышает определенное пороговое значение.

Таким образом, все мышцы подчиняются тому же двоичному правилу – они либо сокращаются, либо нет. Справедливо ли это правило и для нервов? И если да, то каким образом в таком случае они способны передавать сложную и разнообразную информацию?

На пути более углубленного изучения этого вопроса возникли две преграды. Прежде всего, о каких бы нервах и мышцах ни шла речь, они всегда существуют не в виде отдельных проводков, а собраны в толстые “кабели” – как кабели из тонких жил, проложенные на дне океана и передающие сигналы между континентами. Сигналы передаются не по одному проводу, но раздельно по индивидуальным кабелям, собранным в скрутки разной толщины. “Кабели” нервов в теле также имеют разную толщину: одни очень толстые (как спинной мозг), другие состоят лишь из нескольких десятков нервов[158]. Головной мозг посылает по нервам сигнал к мышцам, отдавая команду для сокращения. Поэтому, прислушиваясь к этим сигналам, вы всегда будете слышать целый хор сигналов от нейронов, которые “перекрикивают” друг друга. О том, чтобы выделить отдельный нейрон и выслушать его “монолог”, не могло быть и речи: во-первых, нельзя было хирургическим путем извлечь из волокна отдельный (живой) нерв[159]; во-вторых, не было такого инструмента, который позволил бы зарегистрировать потенциал действия одного нейрона.

Кроме того, даже прислушиваясь к громкой “беседе” множества нейронов в нервном волокне, мы не услышим их естественный разговор. Еще со времен Гальвани каждый измеренный нервный или мышечный сигнал был искусственным образом индуцирован с помощью электрического разряда (развивая нашу метафору, можно сказать, что мы производим сильный электрический удар и слушаем ответные злобные вопли нерва). Таким образом, данный метод обеспечивает весьма ограниченный подход к изучению работы нервной системы в естественном состоянии.

Как любой хороший физик, Лукас начал с поисков какого-нибудь умного человека, который выполнял бы всю черновую работу в его лаборатории в Тринити-колледже; этим человеком оказался молодой аспирант физиолог Эдгар Адриан. Адриану предстояло выяснить, как передается нервный сигнал и подчиняется ли он тому же двоичному правилу “все или ничего”, которое Лукас наблюдал в мышцах.

Они начали с уменьшения числа нервов в мышечном волокне, с которыми собирались работать. Лукас обнаружил одну мышцу лягушки, к которой подходят лишь десять аксонов. Возбуждая их с помощью электрического разряда, он установил, что результирующее мышечное сокращение зависит от интенсивности разряда. Но в отношении индивидуальных нервов ситуация была иной. Отдельные нервы реагировали одинаково вне зависимости от интенсивности удара: либо возбуждались, либо нет. Чем интенсивнее была стимуляция, тем больше нервов возбуждалось, и именно от этого зависела сила мышечного сокращения. Двоичное правило передачи сообщений по индивидуальным нервам всегда сохранялось.

Это было весомым доказательством того, что нервы подчиняются тому же бинарному правилу, что и мышцы[160]. Но эксперименты прервались с началом Первой мировой войны. Лукас оставил лабораторию и перешел на работу на авиационный завод, чтобы использовать свои знания для военных целей, разрабатывая новые компасы и бомбовые прицелы. В 1916 году он погиб в результате воздушного столкновения при испытаниях одного такого устройства. Адриан вернулся в Кембридж после гибели своего руководителя, и его интерес к поставленному Лукасом вопросу лишь усилился. Как же все-таки прослушать сигнал отдельного нейрона? Никто еще не придумал достаточно мощного инструмента, чтобы записывать такие сигналы, но нельзя ли усилить их каким-то образом, чтобы зарегистрировать с помощью существующих методов?

Во время войны американский товарищ Адриана Александр Форбс работал над беспроводными радиоприемниками, первыми радарами и новыми инструментами, названными вакуумными трубками, которые позволяли усиливать звуковые сигналы. Благодаря войне они стали дешевле и доступнее гражданским. После окончания войны Форбс с помощью этих инструментов создал новый усилитель, встроил его в струнный гальванометр Эйнтховена – и вуаля. Теперь бесконечно слабый потенциал действия можно было усилить в немыслимые прежде пятьдесят раз, а в последующие несколько лет этот множитель увеличился до семи тысяч[161]. Вот такое великолепное устройство; оставалось только найти способ прослушивать пучки нервных волокон в естественном состоянии, а не при искусственном возбуждении под действием электрического разряда. Адриан добыл чертежи такого прибора и заказал партию лягушек[162].

Секрет был в том, чтобы найти ситуацию с достаточно предсказуемым возбуждением нейронов, которое можно было бы наблюдать и регистрировать in situ. Однажды Адриан записывал сигналы мышцы лягушки в состоянии покоя. Это требовалось для определения параметров состояния “по умолчанию”, с которыми он мог бы соотносить найденные впоследствии естественные сигналы. Лягушачья лапка просто спокойно висела, не совершая никаких движений и безо всякой стимуляции. Казалось бы, в этом состоянии по нервам не должны передаваться никакие сигналы. Однако всякий раз, когда он пытался записать показания в состоянии покоя, возникали одни и те же неожиданные шумовые помехи – осцилляции сродни тем, что он регистрировал при активной стимуляции мышцы. Адриана это начало раздражать, и он уложил лягушку на стеклянную пластинку – и загадочный сигнал тут же исчез. Он поднял лягушку, так что лапки повисли. Опять сигнал. Он положил лягушку. Сигнала снова нет.

И тогда Адриан понял, в чем дело. Он понял природу сигнала, который регистрировал: нервы лап сообщали центральной нервной системе, что они натянуты. Он обнаружил сигнал, который нервы использовали для передачи этой сложной информации.

Теперь ему нужно было найти способ зарегистрировать единичный сигнал, проходящий по одному нерву. Адриан принялся за работу, и в 1925 году он и его коллега Ингве Зоттерман смогли выделить из группы мышц одну-единственную, в которой оставался один-единственный нерв. Этот чувствительный нейрон был занят передачей лишь одного сообщения: о том, насколько сильное натяжение испытывала мышца. “В сильном эмоциональном напряжении мы спешили зарегистрировать ответ нерва на разные степени стимуляции”, – писал Зоттерман. Обнаруженный ими сигнал от одного нерва представлял собой серию регулярных чистых всплесков – это был звук единственного, ничем не заглушенного потенциала