Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

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: