Нейронауки в XX веке

• Нейрофизиология: изучение электрической активности мозга. Разработка методов электроэнцефалографии (ЭЭГ) (Ганс Бергер, 1924)^[2], исследование потенциалов действия (Алан Ходжкин, Эндрю Хаксли, 1952)^[3].
• Нейрохимия и нейрофармакология: открытие нейромедиаторов (ацетилхолин, дофамин, серотонин) и их роли в передаче нервных импульсов и регуляции поведения^[4].
• Нейроморфология: развитие методов микроскопии, позволивших детально изучить структуру нейронов и синапсов^[5][6].
• Когнитивная нейронаука: исследование нейронных основ высших психических функций (восприятие, память, внимание) с использованием методов визуализации (ПЭТ, МРТ)^[7].

Иван Павлов внёс вклад во многие области нейрофизиологии. Большая часть его работы была связана с исследованиями темперамента, условного рефлекса и непроизвольных рефлекторных действий^[8]. В 1891 году Павлов был приглашён в Институт экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге для организации и руководства отделением физиологии^[9]. В 1897 году, после 12 лет исследований, он опубликовал работу «Работа пищеварительных желёз». Его эксперименты принесли ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1904 году. В тот же период Владимир Бехтерев открыл 15 новых рефлексов и известен своим соперничеством с Павловым в области изучения условных рефлексов^[10]. В 1907 году он основал Психиатрический институт при Санкт-Петербургской государственной медицинской академии, где работал с Александром Догелем. В институте он пытался создать междисциплинарный подход к исследованию мозга^[11]. 14 июля 1950 года в Москве был основан Институт высшей нервной деятельности^[12].

Работа Чарльза Скотта Шеррингтона была в значительной степени сосредоточена на рефлексах, и его эксперименты привели к открытию моторных единиц. Его концепции были сосредоточены на едином поведении клеток, активируемых или ингибируемых в так называемых синапсах. Шеррингтон получил Нобелевскую премию за доказательство того, что рефлексы требуют интегрированной активации, и продемонстрировал взаимную иннервацию мышц (закон Шеррингтона)^[13][14][15]. Шеррингтон также работал с Томасом Грэмом Брауном, который в 1911 году разработал одну из первых концепций центральных генераторов упорядоченной активности. Браун признал, что основной паттерн шага может быть произведён спинным мозгом без необходимости нисходящих команд от коры головного мозга^[16][17].

Ацетилхолин был первым идентифицированным нейротрансмиттером. Он был впервые обнаружен в 1915 году Генри Халлеттом Дейлом благодаря его воздействию на ткани сердца. В 1921 году Отто Лёви в Граце подтвердил, что ацетилхолин является нейротрансмиттером. Лёви впервые продемонстрировал «гуморальную передаваемость сердечной нервной реакции» на амфибиях^[18]. Сначала он назвал его Vagusstoff, потому что он выделялся из блуждающего нерва (лат. nervus vagus), а в 1936 году написал^[19]: «Я больше не сомневаюсь в том, что Sympathicusstoff — это адреналин».

Одним из основных вопросов, стоящих перед нейробиологами в начале XX века, была физиология нервных импульсов. В 1902 и снова в 1912 годах Юлиус Бернштейн выдвинул гипотезу, что потенциал действия является результатом изменения проницаемости мембраны аксона для ионов^[20][21]. Бернштейн также был первым, кто ввёл уравнение Нернста для потенциала покоя через мембрану. В 1907 году Луи Лапик предположил, что потенциал действия возникает при превышении порогового значения^[22], что позже было доказано как результат динамических систем ионной проводимости. Британский физиолог Кит Лукас и его ученик Эдгар Адриан провели множество исследований органов чувств и функций нервных клеток. Эксперименты Кита Лукаса в первом десятилетии XX века доказали, что мышцы сокращаются полностью или не сокращаются вовсе, что было названо принципом «всё или ничего»^[23].

Эдгар Адриан наблюдал за работой нервных волокон во время своих экспериментов на лягушках. Это доказало, что учёные могут изучать функции нервной системы не только косвенно, но и напрямую. Это привело к быстрому росту разнообразия экспериментов, проводимых в области нейрофизиологии, и инновациям в технологиях, необходимых для этих экспериментов. Большая часть ранних исследований Адриана была вдохновлена изучением того, как вакуумные трубки перехватывают и усиливают кодированные сообщения^[24]. В то же время Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер смогли модифицировать осциллограф для работы при низких напряжениях и наблюдать, что потенциалы действия происходят в две фазы — всплеск, за которым следует послевсплеск. Они обнаружили, что нервы бывают разных форм, каждая из которых имеет свой потенциал возбудимости. Благодаря этим исследованиям, пара учёных обнаружила, что скорость потенциалов действия прямо пропорциональна диаметру нервного волокна, и получила за свою работу Нобелевскую премию^[25].

В процессе лечения эпилепсии Уайлдер Пенфилд составил карты расположения различных функций (двигательных, сенсорных, памяти, зрения) в головном мозге^[26][27]. Он обобщил свои выводы в книге 1950 года под названием The Cerebral Cortex of Man/«Кора головного мозга человека»^[28]. Уайлдер Пенфилд и его соавторы Эдвин Болдри и Теодор Расмуссен считаются создателями концепции кортикального гомункулуса^[29].

Кеннет Коул поступил в Колумбийский университет в 1937 году и проработал там до 1946 года, где сделал пионерские открытия в области моделирования электрических свойств нервной ткани. Гипотеза Бернштейна о потенциале действия была подтверждена Коулом и Говардом Кёртисом, которые показали, что проводимость мембраны увеличивается во время потенциала действия^[30]. Дэвид Э. Голдман работал с Коулом и в 1943 году в Колумбийском университете вывел уравнение Голдмана^[31][32].

Алан Ллойд Ходжкин провёл год (1937-38) в Рокфеллеровском институте, где вместе с Коулом измерял сопротивление мембраны гигантского аксона кальмара в состоянии покоя. В 1939 году они начали использовать внутренние электроды внутри гигантского нервного волокна кальмара, а в 1947 году Коул разработал технику фиксации напряжения. Позже Ходжкин и Эндрю Хаксли представили математическую модель передачи электрических сигналов в нейронах гигантского аксона кальмара, а также механизм их возникновения и распространения, известную как модель Ходжкина — Хаксли. В 1961—1962 годах Ричард ФитцХью и Дж. Нагумо упростили модель Ходжкина — Хаксли, создав модель ФитцХью — Нагумо. В 1962 году Бернард Кац смоделировал нейротрансмиссию через пространство между нейронами, известное как синапсы. Начиная с 1966 года, Эрик Кандел и его коллеги исследовали биохимические изменения в нейронах, связанные с обучением и хранением памяти у Aplysia. В 1981 году Кэтрин Моррис и Гарольд Лекар объединили эти модели в модель Морриса — Лекара. Такая всё более количественная работа привела к появлению многочисленных моделей биологических нейронов и моделей нейронных вычислений.

Эрик Кандел и его коллеги назвали Дэвида Риоча, Фрэнсиса О. Шмитта и Штефана Куффлера людьми, сыгравшими решающую роль в становлении этой области^[33]. Риоч был инициатором интеграции фундаментальных анатомических и физиологических исследований с клинической психиатрией в Армейском научно-исследовательскоминституте имени Уолтера Рида, начиная с 1950-х годов. В тот же период Шмитт создал программу исследований в области нейронаук на биологическом факультете Массачусетского технологического института, объединив биологию, химию, физику и математику. Первый самостоятельный факультет нейронаук (тогда называвшийся «психобиология») был основан в 1964 году в Калифорнийском университете в Ирвине Джеймсом Л. Макгоу. Штефан Каффлер основал факультет нейронаук в Гарвардской медицинской школе в 1966 году. Первое официальное употребление слова «нейронаука» относится к 1962 году, когда Фрэнсис О. Шмитт опубликовал «Программу исследований в области нейронаук», которая была организована Массачусетским технологическим институтом^[34][35].

В СССР ХХ век характеризуется развитием представления о базисных механизмах работы мозга, которые разрабатывались в работах И. М. Сеченова, И. П. Павлова, В. М. Бехтерева. После распада СССР исследования, связанные с изучением мозга, резко затормозились в связи с коллапсом российской экономики^[1][36].

Со временем исследования мозга прошли через философскую, экспериментальную и теоретическую фазы, и в будущем важную роль, по прогнозам, будут играть работы по моделированию мозга^[37].

Российские и советские учёные внесли значительный вклад в развитие нейронаук:

• И. П. Павлов (1849—1936): Исследование условных рефлексов и высшей нервной деятельности. Нобелевская премия (1904) за работу по физиологии пищеварения, косвенно связанную с нервной регуляцией^[38].
• А. А. Ухтомский (1875—1942): теория доминанты — принцип работы нервных центров^[39].
• Н. А. Бернштейн (1896—1966): исследование физиологии активности и построения движений^[40].
• П. К. Анохин (1898—1974): теория функциональных систем^[41].
• С. В. Аничков (1892—1981): исследование нейрофармакологии и химической передачи нервных импульсов^[42].
• В середине 1950-х гг. советский физиолог Хачатур Седракович Коштоянц (1900―1961) развил гипотезу, согласно которой в основе нервной деятельности лежат химические процессы, унаследованные мозгом у до-нервных механизмов управления и регуляции^[43][44].