В 1924 году швейцарский физиолог Гесс приступил к первым опытам с введением электродов в мозг. Сначала он вводил кошкам в мозг тонкие трубочки, впрыскивал через них различные вещества и наблюдал, как у животных меняется поведение. Потом он решил использовать для раздражения мозга электрический ток. Гесса интересовал таламус (бугор) и гипоталамус (подбугорье). Про гипоталамус было известно, что он контролирует температуру тела и участвует в регуляции эндокринной системы. Оказалось также, что он имеет прямое отношение к регулировке аппетита и жажды.
Что должен делать хищник, ощутив голод? Отправиться на охоту. Охота же требует согласованной работы сердца, дыхания, кровяного давления, секреции желез. И при охоте должен, как никогда, работать аппарат грубых эмоций. Не находится ли и он гипоталамусе? Рассудив так, Гесс не удивился, обнаружив там участок, при раздражении которого током кошка принимала агрессивную позу. Раздражая область суб-таламуса, Гесс вызывал у животных сон. Раздражение тех же областей мозга более сильным током приводило к противоположному эффекту — возбуждению. В последующие годы физиологи не раз воспроизводили опыты Гесса и вызывали у животных испуг, ярость, сон и возбуждение. Невролог Н. И. Гращенков наблюдал вовремя войны раненого, у которого осколок снаряда находился в черепе на уровне гипоталамуса. Попытка извлечь осколок пинцетом мгновенно вызывала глубокий сон, когда же пинцет убирали, раненый тут же просыпался.
После наблюдений Экономо и опытов Гесса, доказавшего, что сон можно вызывать усилением деятельности некоторых мозговых структур, мало кто сомневался в существовании центров сна. Сомневался И. П. Павлов, который весьма высоко ценил полученные Гессом экспериментальные данные, о чем не раз сообщал ему в письмах, но рассуждений и выводов Гесса принять не мог, о чем не забывал упомянуть в тех же письмах.
В лаборатории Павлова было обнаружено, что собаки в процессе выработки условных рефлексов засыпают. Сон у них вызывали некоторые внешние раздражители, которые, как писал Павлов, «в больших полушариях производят тормозной процесс». «Торможение и сон — это одно и то же», — повторял он. Допускал он, впрочем, существование и другого механизма сна. Трактуя опыты А. Д. Сперанского и B. C. Галкина с перерезкой у кошек зрительных, слуховых и обонятельных нервов, он говорил, что здесь сон пассивен и причина его — иссякание потока информации. Есть, говорил он, «два сорта сна: один сон пассивный, в силу отпадения массы раздражений, обыкновенно поступающих в большие полушария, и другой сон — активный, как его и представляют, в виде тормозного процесса, потому что тормозной процесс, конечно, должен представляться активным процессом, а не как состояние не деятельности».
Пассивным казался Павлову и сон больных летаргическим энцефалитом, и сон подопытных кошек Гесса. Не признавая существования в гипоталамусе центра сна, он объяснял этот сон одним лишь разрывом сообщения между большими полушариями и внутренним миром. Не все идеи Павлова о природе сна и бодрствования выдержали проверку временем. Идеи, в которых почти все мозговые функции возлагались на кору, а глубинным отделам отводилась сугубо вспомогательная роль, в которых все многообразие нервных процессов сводилось к возбуждению и торможению, оказались слишком схематичными.
Точно так же и Гесс, обнаружив столько интересного в глубинных структурах, решил, что в мозговых процессах они, а не кора, играют первую скрипку, и они с Павловым долго спорили на эту тему, так ни до чего и не договорившись. Однако образцом прозорливости предстает сегодня перед нами та настойчивость, с которой Павлов твердил, что торможение, охватывающее мозг, активно и что сон меньше всего похож на бездеятельность.
Пять ступенек в глубину
В середине тридцатых годов бельгийский нейрофизиолог Бремер провел очень важные опыты. Перерезав кошке спинной мозг на уровне первого шейного сегмента, он получил так называемый изолированный мозг. На электроэнцефалограмме, снятой с этого мозга, отражалась нормальная смена сна и бодрствования. Когда же Бремер сделал перерезку на уровне среднего мозга, получился препарат, который он назвал «конечным изолированным». На снятой с него электроэнцефалограмме была лишь картина сна. Отчего произошла такая перемена, Бремер сразу не догадался. Непрерывный сон он по традиции объяснил снижением притока импульсов к коре. Это было верно, но каких импульсов, и откуда они шли? Оставалось сделать один шаг и найти механизмы, поддерживающие уровень бодрствования. Но шаг этот Бремеру сделать было не суждено. Сделали его в 1949 году американский нейрофизиолог Мэгун и его итальянский коллега Моруцци.
Исследуя больных полиомиелитом, который поражает нижние отделы ствола головного мозга, Мэгун установил, что нарушения мышечного тонуса при этой болезни связаны с разрушением нижних отделов ретикулярной формации. О существовании этой структуры знали еще в прошлом веке, но ее назначение было никому не ведомо. Ретикулярная формация — это огромная сеть нейронов; отсюда и название: ретикулярная — значит сетевидная.
Сеть эта растянута по всему стволу от спинного мозга до гипоталамуса и таламуса включительно. Мэгун и Моруцци доказали, что глубокий сон, который демонстрировал Бремеру «конечный изолированный мозг», вызван был отсечением от полушарий ретикулярной формации, чьи активизирующие импульсы поддерживают не только мышечный тонус, но и надлежащий уровень бодрствования.
Изучение ретикулярной формации было продолжено американскими нейрофизиологами. Они разрушали все пути, по которым направляются в кошачий мозг импульсы из глаза, уха, от кожи и обонятельных луковиц, и сохраняли только связи ретикулярной формации с большими полушариями. Никаких изменений на электроэнцефалограмме, никакого понижения уровня бодрствования! Когда же все пути между органами чувств и корой оставались нетронутыми, а разрушалась ретикулярная формация, наступал сон. Так появилось весьма важное дополнение к прежним гипотезам о том, как влияет на состояние мозга сокращение потока поступающих в него импульсов.
Природа позаботилась о том, чтобы все импульсы, приходящие от органов чувств в соответствующие отделы коры, попадали и в ретикулярную формацию. Вот перед нашими глазами неожиданно возникает яркий свет. По зрительным волокнам сигнал о свете отправляется к зрительной коре. Но, проходя через ствол мозга, сигнал делится на две части. Одна часть продолжает свой путь в затылочную долю, где находится зрительная кора, а другая по особым ответвлениям направляется в ретикулярную формацию. А что произойдет, если мы услышим громкий звук? Часть сигналов попадет в слуховую кору, расположенную в височной доле, а часть — опять в ретикулярную формацию.
Пока специфические мозговые системы, то есть системы, связанные с органами чувств определенного типа и с раздражителями определенной модальности, анализируют поступающие сигналы, неспецифические, то есть относительно безразличные к тому, поступает информация зрительная, слуховая или осязательная (к неспецифическим относится и ретикулярная формация), оценивают те же сигналы по их значимости для организма и готовят его к ответным действиям. Вот для чего и параллельный поток сигналов. В верхних отделах ретикулярной формации имеется механизм, поддерживающий необходимый нам уровень бодрствования. Это так называемая активирующая восходящая система. Ее разрушение и повергает животное в сон. Уровень бодрствования поддерживается постоянным потоком импульсов, идущих из ретикулярной формации в кору. Даже во сне эта «фоновая активность» не исчезает совсем, а лишь снижается до определенного порога, что позволяет животным просыпаться при приближении опасности. Когда же сигнал приобретает особое значение, поток импульсов возрастает, и вместе с ним возрастает внимание и сосредоточенность. Мозг уже не просто регистрирует сигнал, а изучает его.