Вы здесь

Электрофизиология

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИИ

Электрофизиология — наиболее быстро развивающаяся область физиологии, изучающая электрические явления в живом организме и действие электрического тока на организм. Ни один раздел физиологии не может в настоящее время разрабатываться без применения электрофизиологических методов исследования. Эти методы глубоко проникли и в клиническую практику, являясь часто основными при оценке функционального состояния различных органов и тканей в процессе диагностики и лечения заболеваний. Успехи электрофизиологии в значительной степени способствовали осуществлению полета человека в космическое пространство. Данные электрофизиологии широко используются в кибернетике, бионике и других отраслях современной науки.

В учебном пособии по электрофизиологии А. Б. Когана (1969) дано ее подробное определение, согласно которому электрофизиология «изучает электрические проявления жизнедеятельности клеток, тканей и органов для выяснения их природы и возможного физиологического значения, а также использования как тонких и точных показателей функционирования». А. Б. Коган выделяет три области связи физиологии с учением об электричестве:

  • 1) изучение электрических потенциалов, возникающих в живых тканях;
  • 2) действие электричества на жизненные процессы и
  • 3) физические свойства живых тканей как проводников электричества. В настоящее время ведущее место в электрофизиологии занимает изучение электрических потенциалов, возникающих в живых тканях.

Самые первые исследования в области электрофизиологии относятся к XVIII веку. Физики, занимавшиеся изучением электрических зарядов, неоднократно сталкивались с фактом их раздражающего действия на организм. Раздражение это вызывало своеобразное субъективное ощущение и некоторые объективные изменения, например сокращение мышц, их судорожное подергивание. Эти факты привлекли внимание врачей, физиологов. Последние стали применять электрические заряды для раздражения нервов и мышц в опытах; появились высказывания о том, что раздражающее действие электричества может иметь лечебное значение.

Во второй половине XVIII столетия увлечение электричеством и его лечебным действием приобрело чрезвычайно широкий размах. Публикуются бесчисленные статьи, книги, монографии о действии электричества на живой организм. Поток сообщений о целебном действии электричества был настолько огромен и разобраться в нем было настолько трудно, что королевским указом во Франции была даже создана специальная комиссия из ученых для того, чтобы отделить в этом потоке сведений истину от заблуждений. К этому надо прибавить сообщения Грея в 1731 г. (Англия) и Нолле в 1746 г. (Франция) о том, что они с помощью электроскопа обнаружили электрические заряды у растений, животных и даже человека, а в 1773 г. Уэлш доказал, что особое действие некоторых рыб, которых называют сейчас электрическими, тождественно разряду лейденской банки, и этот разряд может быть передан по проводникам. Данные Грея, Нолле, Уэлша наводили на мысль о том, что и сам организм, возможно, является источником электричества, что проявление жизненных процессов теснейшим образом связано с электричеством. Таким образом идея «животного электричества» «носилась в воздухе». Начало развития электрофизиологии обычно связывают со знаменитыми опытами итальянского врача, анатома и физиолога Луиджи Гальвани, и это, конечно, справедливо, потому что то, что «носилось в воздухе», Гальвани впервые не только высказал вслух, но и отстаивал всю свою жизнь. Во многих учебниках неправильно указывается, что Гальвани сделал свои открытия совершенно случайно. Открытие Гальвани было подготовлено всем ходом развития науки того времени, и случайного в его опытах очень немного.

Л. Гальвани (1737—1798) — талантливый ученый своего времени; окончил Болонский университет. Гальвани 22 лет стал профессором и читал в Болонском университете лекции по анатомии, гинекологии и акушерству, а также проводил исследования по сравнительной анатомии. С 1771 г., подобно многим вранам и физиологам, увлекся изучением действия электрических зарядов на организм. История его первых открытий описывается по-разному. Но сущность их состояла в следующем. Однажды, когда на столе были подготовлены задние лапки лягушки (их называют сейчас препаратами Гальвани) и ассистент вращал электрофорную машину, Гальвани заметил, что прикосновение скальпеля к одному из этих препаратов вызывало судорожное сокращение мышц. По существу, это было первое наблюдение действия на животную ткань электрического поля (или, как говорили потом, — действия «электричества на расстоянии»). Подробное исследование этого явления было проведено через 100 с лишним лет нашим замечательным русским физиологом В. Я. Данилевским.

Гальвани решил проверить, будет ли аналогичным действием обладать атмосферное электричество? С этой целью такие гальванические препараты были подсоединены к громоотводу, и эффект оказался таким, какого и следовало ожидать. Тогда Гальвани предположил, что разряды атмосферного электричества будут раздражать лапки и без подключения их к громоотводу. Для того чтобы проверить это предположение, Гальвани несколько препаратов подвешивал на медных крючках к железному балкону своего дома. К его удивлению, в совершенно негрозовую погоду, как только ветер раскачивал лапки и они касались ограды балкона, мышцы энергично сокращались. Как объяснить этот факт? Надо хорошо представить себе, что знала наука в то время об электричестве, чтобы убедиться в единственно возможном, с точки зрения Гальвани, объяснении. В то время было известно, что металлы не могут быть источником электричества: металлы считались лишь проводниками электричества. Грозы не было, следовательно, не было и атмосферного электричества. С другой стороны, были известны электтрические рыбы, которые способны вырабатывать электрический заряд большой мощности. Поэтому Гальвани сделал единственно возможный вывод: в мышцах лягушки имеется свой электрический заряд как в наэлектризованном сургуче или янтаре. Как только мышца касается железной ограды, этот заряд проводится — происходит разряд заряженного тела и этот разряд возбуждает живую ткань. Гальвани повторяет опыты в лаборатории. Он подвешивает лапки лягушки за крючки, сделанные из разных металлов, и прикладывает к ним другие металлы. Были использованы и железо, и медь, и серебро, и цинк, и свинец. Но наиболее хорошо опыт удавался тогда, когда в качестве металлов были взяты медь и цинк. Достаточно сделать пинцет с браншами из этих металлов, чтобы опыт удавался блестяще. Этот опыт вошел в историю науки как первый опыт Гальвани (его иногда называют «балконным» опытом). Он был проведен в 1786 г., а в 1791 г. Гальвани опубликовал свой труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Доказательство Гальвани существования «животного электричества» оказалось уязвимым. Уже очень скоро с опровержением объяснений опыта Гальвани выступил Алессандро Вольта (1745—1827) —итальянский физик и физиолог, профессор физики в Павии. Вольта сделал много важных открытий в физике и физиологии. В частности, он изобрел так называемый смоляной электрофор — прообраз электрофорной машины, построил чувствительный электроскоп, занимался исследованием органов вкуса и зрения, работал в области нервно-мышечной физиологии и т. п. Повторив опыты Гальвани, он вначале полностью согласился с их трактовкой. Но затем собственные исследования в 1792—1794 гг. привели его к убеждению, что наблюдаемые Гальвани явления связаны с наличием цепи из двух разнородных металлов и жидкости. Начался исторический спор Гальвани и Вольта, который оказал огромное влияние на последующее развитие науки.

Вольта создал первый генератор электрического тока, который получил название вольтова столба или гальванического элемента. Он первый, по существу, ввел понятие об электрическом токе и ввел единицу электродвижущей силы, которая называется его именем (вольт). Можно смело сказать, что именно с Вольта начинается быстрое развитие электротехники, а затем и радиотехники, электроники и т. п.

Гальвани же после долгих поисков нашел способ демонстрации наличия «животного электричества» без металлов. В 1794 г. он осуществил свой замечательный второй опыт, заключавшийся в получении сокращения мышцы при набрасывании на нее нерва с помощью стеклянного крючка. От второго опыта Гальвани ведет свое начало электрофизиология, которая в настоящее время приобрела такое значение в физиологии, какое может быть поставлено в сравнение со значением учения об электричестве в современной физике. Однако когда мы говорим о молодости электрофизиологии, то имеем в виду молодость ее как такой науки, которая приобрела действительно огромное практическое значение.

Распределение электрических зарядов в нервно-мышечном аппарате и разность потенциалов, регистрируемая между неповрежденной и поврежденной поверхностями мышцы

Новые исследования в электрофизиологии связаны с именем Матеуччи, который в 1838—1840 гг. показал, что в мышце всегда может быть отмечен электрический ток, который течет от ее неповрежденной поверхности к поперечному разрезу (рис. 1). Второй опыт Гальвани он объяснял выходом отрицательного заряда по нерву как проводнику из глубины мышцы. Матеуччи же принадлежит интересный опыт, который вошел в науку под названием «опыта с вторичным сокращением». Этим опытом Матеуччи впервые убедительно показал, что электрический ток. возникающий при возбуждении тканей, способен раздражать другую возбудимую ткань. Опыт убеждал в том, что раздражителем живых тканей является «животное электричество», возникающее в момент возбуждения. Но если вызвать возбуждение (сокращение) мышцы, то ток, регистрируемый от ее продольной и поперечной поверхности, уменьшается. Эти два факта как будто находились в противоречии, и Матеуччи не сумел найти выхода из этого противоречия.

С 1841 г. в области электрофизиологии начал исследования знаменитый немецкий физиолог Дюбуа Реймон. Это был крупнейший авторитет в области нервно-мышечной физиологии, создатель многих приборов и методов исследования. Он, как и другие физиологи, начал свою работу в области электрофизиологии с проверки опытов Гальвани, а затем повторил опыты Матеуччи. Дюбуа Реймон также убедился в том, что поперечный разрез является отрицательно заряженным по отношению к продольной поверхности, но он пошел дальше. Он начал разрезать мышцу на кусочки, и оказалось, что во всех случаях продольная поверхность несет положительный, а поперечная отрицательный заряд. Дюбуа Реймон ввел в электрофизиологию термины, которыми пользуются до сих пор. В частности, ток, регистрируемый от продольной и поперечной поверхностей мышцы, он назвал током покоя. Дюбуа Реймон показал, что при всяком раздражении мышцы этот ток уменьшается. Уменьшение тока покоя при возбуждении он назвал отрицательным колебанием тока покоя или током действия. Надо было дать какое-то объяснение наблюдавшимся фактам, и Дюбуа Реймон создает в 1848 г. свою знаменитую электромолекулярную теорию. Он предположил, что мышца и нерв построены из отдельных продольных «молекул», которые представляют своего рода диполи, определенным образом ориентированные вдоль нервного волокна: к продольной поверхности при этом всегда обращен положительный полюс диполя, а к поперечной — отрицательный. При всяком раздражении по Дюбуа Реймону происходит поворот этих «молекул» на 90°, и тем самым ток покоя, естественно, будет уменьшаться. А. А. Ухтомский называет эту теорию поворота ахиллесовой пятой всей научной концепции Дюбуа Реймона. Если само существование «электромолекул» выглядело гипотетически, то представление о повороте их при раздражении было вовсе фантастичным. Тем не менее вследствие чрезвычайно высокого авторитета Дюбуа Реймона его теория просуществовала довольно долго.

Распостранения возбуждения, приводящее к уменьшению тока покоя



Решительное изменение представлений произошло после капитальных работ Людимира Германа — ученика Дюбуа Реймона. Герман, повторяя второй опыт Гальвани, обратил внимание на то, что этот опыт не всегда хорошо удается, причем лучше он удавался тогда, когда приготовление препарата производилось менее тщательно или даже в тех случаях, когда мышце наносилось (умышленно) повреждение. Анализируя этот факт, Герман (1867) в отличие от Дюбуа Реймона и от представлений Гальвани стал считать, что электрический заряд не предсуществует в мышце, а возникает в ней лишь в определенных условиях, именно в условиях повреждения, причем поврежденная поверхность всегда оказывается заряженной отрицательно по отношению к неповрежденной. Отсюда и так называемый ток по,коя следует называть альтерационным током, т. е. током повреждения, или демаркационным, т. е. возникающим на границе между здоровым и поврежденным участками.

По Герману, возбуждение, чем бы оно ни создавалось, тоже является повреждением, только имеющим обратимый характер и к тому же перемещающимся по ткани. Если это так, то легко объяснить и отрицательное колебание тока покоя или ток действия: если возбужденный участок становится электроотрицательным по отношению к покоящемуся, то распространение этой электроотрицательности неизбежно должно привести к уменьшению «тока покоя» (рис. 2). Герман связывал возникновение электрических потенциалов в живых тканях с химическими процессами, которые в них протекают, и считал, что возникающий при возбуждении ток, раздражая соседние участки, является причиной распространения возбуждения: это последнее положение сейчас лежит в основе всех наших представлений о проведении возбуждения.

Схема формирования однофазного и двухфазного токов действия

Герман же предсказал, какую форму будет иметь волна возбуждения, распространяющаяся по мышце или нерву. Представим себе, что один из отводящих электродов расположен на поврежденном, другой на неповрежденном участках (рис. 3). Как только цепь будет замкнута, стрелка гальванометра в течение какого-то времени t отклонится до определенного положения (рис. 3, 1). Однако, как только возбуждение достигнет расположения первого электрода А, разность потенциалов должна исчезнуть, так как под обоими электродами окажутся участки, заряженные электроотрицательно (рис. 3, 2), стрелка гальванометра покажет нуль, т. е. произойдет «отрицательное колебание» тока покоя. При прохождении волны возбуждения за пределы электрода А в этой области вновь восстановится положительный заряд, и стрелка гальванометра вновь отклонится на какой-то угол (рис. 3, 3). Можно было бы предположить, что при подходе всякого возбуждения в точку Б угол отклонения стрелки гальванометра увеличится. Однако обычно этого не наблюдается, так как в области поперечного разреза (повреждения) мышца не может приходить в состояние возбуждения. Регистрируемый при этом ток Герман назвал однофазным током действия, т. е. имеющим одно направление. При накладывании обоих отводящих электродов на неповрежденные участки нерва или мышцы мы, естественно, должны получить двухфазный ток действия, т. е. ток меняющегося направления, потому что сначала под первым, а затем под вторым электродом будет участок, заряженный электроотрицательно по отношению к другому электроду (рис. 3, 4—8).

Сейчас с помощью современной электрофизиологической аппаратуры легко получают те однофазные и двухфазные кривые тока действия, о которых говорил Герман, но в то время это была чистейшая теория. Тем удивительнее для нас кажется метод, который был предложен в 1871 г. для определения длительности волны возбуждения,— метод дифференциального реотома Бернштейна.

Схема устройства дифференциального реотома Бернштейна

А. А. Ухтомский пишет, что, по рассказам, идея дифференциального реотома была подсказана Бернштейну Г. Гельмгольцем. Прибор представлял собой диск, вращавшийся со строго постоянной скоростью, на диске были расположены две линейки — OA и ОБ. Эти линейки были размещены так, что если угол между ними был равен 180°, то контакты К1 и К2 замыкались одновременно (рис. 4). При этом включалась цепь индукционной катушки Е и гальванометра Г. Если же линейка ОБ отклонялась от OA на какой-то угол а, то при вращении диска вначале замыкался контакт К1 , а через некоторое время, необходимое для поворота диска на угол α, контакт K2. Если этот угол был очень мал, то возбуждение, возникшее в точке раздражения М, не успевало добегать до точки отведения N, и стрелка гальванометра оставалась в исходном положении. Но если этот угол увеличивался, то к точке N успевала прибегать какая-то часть волны возбуждения (начальная или максимальная, или «хвост»). Поскольку расстояние между точками М и N было точно измерено, а скорость вращения диска хорошо известна, то прежде всего оказывалось легко определить скорость распространения возбуждения. Допустим, что расстояние между точками М и N равно 5 см, угол а, при котором появляется отклонение стрелки гальванометра, равен 30°, а скорость вращения диска такова, что он делает оборот в течение 0,025 с. Следовательно, на 30° он повернется в течение 0,002 с, но это значит, что за 0,002 с возбуждение прошло 5 см. Сколько же оно проходит за 1 с? Легко подсчитать, что в данном примере скорость распространения нервного возбуждения будет составлять 25 м/с. Фактические значения скорости распространения возбуждения, найденные с помощью дифференциального реотома, оказались такими же, как и при определении их другими методами. Но значение дифференциального реотома было не только в этом. Бернштейн, пользуясь этим прибором, определил продолжительность волны возбуждения. Как это было сделано? Допустим, что при угле 30° стрелка гальванометра давала еле заметное отклонение. При угле а, равном 45°, это отклонение оказывалось максимальным, а при угле 60° вновь наименьшим. Как это понимать? Это значит, что при 30° волна возбуждения добегает до гальванометра своим началом, а при 60° «хвостом». Какова же длительность волны? Легко сообразить, что если диск поворачивается на 360° в течение 0,025 с, то на 30° он повернется в течение 0,002 с, а на 60° в течение 0,004 с. Следовательно, продолжительность волны возбуждения в нашем примере равна 0,002 с. У Бернштейна эти значения были немного завышенными. На мышце лягушки продолжительность отдельной волны возбуждения оказалась равной около 0,05 с, на нерве же около 0,005 с. Для того времени этот результат был довольно точным.

А. А. Ухтомский высоко оценивает метод дифференциального реотома. Он пишет: «Классический метод дифференциального реотома, несравненный по глубине замысла и остроумию, останется навсегда прекрасным памятником гельмгольцевой эпохи в физиологии... Приблизительно было то же самое, что наблюдалось в астрономии в эпоху вычислительных предсказаний Леверье, когда потом Адаме нашел воочию то. что было несомненно из общих предпосылок».

Итак, только к концу XIX столетия физиологи получили какое-то реальное представление об электрических явлениях в живых организмах. К этому времени стало известно, что электрические потенциалы возникают практически во всех живых тканях. Их обнаружили очень остроумным способом в сердце (Келликер и Мюллер, 1856), затем в коре больших полушарий (Кэтон и В. Я. Данилевский, 1875—1876),в продолговатом мозге (И. М. Сеченов, 1882), в почке, нервах, мышцах, сетчатке глаза и других тканях и органах. Начало намечаться и практическое применение электрофизиологических показателей как в исследовательской работе, так и в клинике. Но это произошло только в конце XIX столетия, а точнее уже в начале XX века.

Что представляет собой современная электрофизиология? Выше уже отмечалось, что любая живая ткань является источником электрических потенциалов, которые представляют собой отражение процессов обмена, постоянно протекающих в живой клетке (растительной или животной). В какой-то степени мы знаем природу этих электрических процессов, т. е. причину их возникновения, и, более того, их связь с физиологическими функциями. Однако последнее, т. е. соотношение электрических явлений с тонкими биохимическими и физиологическими процессами, не всегда до конца ясно. Известно, что во многих живых тканях регистрируются непрерывные спонтанные колебания электрических потенциалов. Как будто нет никаких внешних раздражений, как будто имеет место состояние полного покоя, а в коре головного мозга, например, все время меняется электрическая активность. То же в желудке, сердце, слизистой оболочке кишечника и т. п. Пожалуй, одна из самых трудных и самых важных задач электрофизиологии — выяснить причину этой ритмической активности клетки. Многое мы уже знаем в этом отношении, но, к сожалению, далеко не все. Особые трудности возникают при анализе электрических процессов, протекающих в центральной нервной системе. Они настолько сложны для понимания и глубокого анализа, что до сих пор этот вопрос — один из наиболее актуальных в электрофизиологии.

В настоящее время электрофизиология оснащена неизмеримо более высокой техникой, чем в годы ее становления. Можно сказать, что все самые новейшие достижения электроники взяты на вооружение электрофизиологии. Наши крупные электрофизиологические лаборатории оснащены прекрасными приборами и установками, которые позволяют проводить исследования широким фронтом. В этих исследованиях принимают участие не только физиологи, но и специалисты в области физики, химии, радиоэлектроники, математики.

Большое внимание, уделяемое в настоящее время электрофизиологическим методам исследования, связано с тем, что эти методы позволяют получить наиболее точные показатели состояния и деятельности тканей и органов. Развитие теоретической электрофизиологии все время проходило параллельно с развитием прикладной электрофизиологии, т. е. применением достижений в практической медицине, однако только совсем недавно оно начало постепенно выходить из рамок эмпиризма.

Наиболее широкое практическое применение электрофизиологические методы исследования получили в физиологии и клинике сердечно-сосудистых заболеваний (электрокардиография, векторкардиография), в физиологии и клинике нервной системы (электроэнцефалография), в гастроэнтерологии (электрогастрография), в офтальмологии (электроретинография). Электрофизиологические методы помогают устанавливать диагноз заболевания, следить за ходом лечения, делать прогнозы. Электрофизиологические методы широко применяются также в хирургии для контроля за глубиной наркоза, при полетах в космос для контроля за состоянием космонавтов и т. д. Данные электрофизиологии используются также в кибернетике и бионике. Есть полное основание говорить о широких перспективах дальнейшего развития электрофизиологии и повышения ее роли в теоретических исследованиях и практике.