Биоэлектричество в мозге и теле
“Какими бы удивительными ни были законы и явления электричества в неорганической или мертвой материи, ни с чем не сравнимый интерес к тем же силам возникает при их приложении к нервной системе и жизни”.
В XX веке с появлением более совершенных инструментов стали накапливаться данные, свидетельствующие о том, что характер биоэлектрических сигналов может говорить о здоровье или болезни. Это быстро привело к мысли о том, что электрическая стимуляция может оказаться полезной не только для изучения тела, но и для его оздоровления – путем замены аномальных характеристик правильными. Мы способны самостоятельно осуществлять электрическую регуляцию своего здоровья.
Глава 4Электрификация сердца: о пользе наших электрических сигналов
Ужасные эксперименты по изучению животного электричества, которые Гальвани и Альдини проводили на расчлененных лягушках или обезглавленных преступниках, редко вызывали протесты, но вот английские собачники в какой-то момент не выдержали. В 1909 году разгневанный противник вивисекции прибыл в палату общин с тревожным сообщением о проявлениях научной жестокости[135].
В мае того года он присутствовал на Converzatione – светском вечере, во время которого ученые из Королевского общества демонстрировали свои открытия представителям общественности (по сообщению в одной из газет, привлекательность этих мероприятий заключалась в том, что “наконец-то ученые снизошли до того, чтобы раскрыть свои тайны обыкновенным мужчинам и женщинам”). Одна из демонстраций была настолько шокирующей, что вызвала слушания в парламенте: как сообщалось в жалобе противника экспериментов на животных, собаку связали “кожаным ремнем с острыми шипами вокруг шеи”, чтобы обездвижить несчастное существо, тогда как его “лапы были погружены в сосуды с растворами солей, а эти сосуды соединялись проводами с гальванометрами. Неужели же эта ужасная процедура не нарушает Акт от 1876 года о жестоком обращении с животными?” – возмущался истец[136].
Это мрачное описание оказалось не вполне верным и заставило министра внутренних дел Герберта Гладстона прояснить ситуацию[137]. Он сообщил, что животное было вовсе не несчастным подопытным существом, а домашним псом Джимми – любимым английским бульдогом исследователя. “Кожаный ремень с острыми шипами вокруг шеи” был ошейником с латунными украшениями (причем достаточно дорогим). И, наконец, как пояснил Гладстон, “раствор”, в котором стоял пес (по собственной воле и весьма охотно, проявляя свою знаменитую “черчиллевскую стойкость”), представлял собой обычную соленую воду. “Если мой достойный друг когда-нибудь плавал в море, он бы в полной мере оценил ощущение, доставляемое этим простым и приятным экспериментом”, – заключал министр. Благодаря этой безвредной демонстрации бульдог Джимми способствовал развитию электрофизиологии в большей степени, чем мертвые преступники Альдини. Он (точнее, его владелец физиолог Август Уоллер) впервые в мире позволил произвести запись электрической активности сердца[138].
Возможность считывать электрические сигналы перевернула современную медицину, и не только в отношении сердца, в котором неясные прежде процессы стали гораздо более понятными. К концу XX века было установлено, что подобные сигналы исходят от многих органов. Это было сделано с помощью инструментов, о которых Уоллер даже не мог помыслить, и мы смогли понять процессы в здоровом и больном человеческом теле и мозге настолько глубоко, что Уоллер вряд ли поверил бы в то, что это вообще возможно.
Разговорчивое сердце
В середине 1880-х годов Уоллер установил, что путем подсоединения конечностей к электрическому измерительному прибору можно создать электрическую цепь, проводящую электрические сигналы сердца, и их можно регистрировать. До этого времени единственный способ “чтения” сердечных сокращений заключался во вскрытии грудной клетки и подсоединении электродов непосредственно к открытому сердцу, что возможно только в рамках гораздо более жестоких экспериментов с животными или с людьми с тяжелейшими случайными повреждениями.
Впрочем, для Уоллера запись электрической активности сердца оставалась своего рода забавой. Результаты измерений были неточными и расплывчатыми из-за низкой скорости работы его инструментов[139]. Эти данные мало что могли рассказать о сердечных сокращениях, кроме как подтвердить их наличие. Вообще говоря, именно это и развлекало гостей на его сборищах, во время которых леди и джентльмены опытным путем демонстрировали друг другу наличие у себя бьющегося сердца. Эксперимент был таким: в приятной компании после ужина нужно было снять туфлю и чулок, усесться в кресло, подсоединенное к громоздкому инструменту под названием “капиллярный гальванометр”, который напоминал викторианский шкаф, и поместить голую ногу и одну руку в емкости с соленой водой. Если при виде необычного устройства гости нервничали, Уоллер сначала предлагал продемонстрировать его действие на Джимми, который спокойно все это переносил.
А вот голландский физиолог Виллем Эйнтховен заметил в таком эксперименте возможности, ускользнувшие от внимания Уоллера. В 1889 году Эйнтховен был на конференции по физиологии в Швейцарии, где Уоллер демонстрировал свой метод. Вскоре Эйнтховен усовершенствовал устройство и сделал то, чего не сумел Уоллер: он добился достаточно высокой точности, позволявшей регистрировать контуры сигнала[140]. За последующие десять лет в результате непрерывных технических усовершенствований удавалось все точнее записывать сердцебиения, а кульминацией этого процесса в 1901 году стало создание Эйнтховеном “струнного гальванометра”. Этот прибор регистрировал самые слабые электрические сигналы тела. В простейшем приближении его можно сравнить со струной, освещенной очень ярким светом, создающим на белом фоне чрезвычайно широкую тень. При каждом биении сердца эта тень колеблется. Эйнтховен дополнительно усовершенствовал прибор с помощью кварцевых струн с серебряным покрытием, подвижной фотопластинки и механического самописца, но в целом механизм по-прежнему соответствовал данному выше описанию.
Уоллер и Эйнтховен смогли считывать сигналы сердца с поверхности тела по той причине, что эти слабые сигналы в сочетании дают невероятно “громкий” звук – настолько громкий, что его можно зафиксировать с помощью струнного гальванометра. Если сравнить потенциал действия отдельной сердечной мышцы со спокойным голосом вашего собеседника, синхронное возбуждение многих мышц следует сравнить со звуком хора из ста человек в сопровождении органа, исполняющих четыре победных аккорда из оратории “Мессия” Генделя. “Мессию” исполняют лишь несколько органов тела: чтобы сокращения сердца могли проталкивать кровь по всему телу, требуется синхронное возбуждение многих мышечных волокон сердца.
Из-за невысокой скорости реакции старых и не очень удачных версий гальванометров Уоллеру удавалось регистрировать лишь приблизительные и расплывчатые сигналы, но Эйнтховен с помощью улучшенной версии прибора смог получить зубчатые волны такого высокого разрешения, что по ним можно было отличить больное сердце от здорового. Именно Эйнтховен на голландском медицинском симпозиуме в 1893 году предложил назвать этот метод электрокардиограммой, а теперь его чаще называют сокращенно – ЭКГ[141].
Однако прибор, который он сконструировал для этих измерений, имел поистине чудовищные размеры. По габаритам и неуклюжести он затмевал раннюю версию прибора Уоллера, поскольку занимал две комнаты и весил 600 фунтов, а для обеспечения его работы требовалось пять операторов и специальное охлаждающее оборудование[142], не говоря уже о том, что для прослушивания сердца человек должен был погружать в солевой раствор помимо ноги уже две руки. Впрочем, работал прибор отлично: в начале XX века Эйнтховен преобразовал размытые каракули Уоллера в диагностически точные пики и провалы, по виду которых врачи в больницах могли определять состояние сердца. Клиницисты тоже стали использовать прибор, и в их числе был электрофизиолог и кардиолог Томас Льюис, который в 1908 году начал применять метод на своих пациентах в университетском госпитале. Льюис понял, что возможность анализировать и описывать различные аномалии сердечного ритма, начиная с мерцательной аритмии, закладывает основы нового раздела медицины – клинической электрокардиографии. ЭКГ позволила исследовать тело с невиданной ранее точностью и в последующие десятилетия помогла показать, в какой степени электрическая активность сердца важна для координированной циркуляции крови в организме.
Электрический насос
Проталкивание крови через сердце осуществляют клетки, которые можно описать как проводящие. Эта группа клеток, расположенная в верхней правой части сердца, образует так называемый синусовый узел. Проводящие клетки координируют работу всех клеток сердца, сообщая им точный ритм и позволяя крови проникать только в определенные отделы сердца и проходить только через определенные клапаны. Кровь проникает в верхние камеры, называемые предсердиями, а затем стекает в нижние камеры – желудочки, – которые примерно через полсекунды после этого сокращаются, так что кровь из одного желудочка поступает в легкие, а из другого – в систему циркуляции по телу. Это очень точный ритм, и поддерживать его чрезвычайно важно. Если он не соблюдается, сердце не может координировать распределение крови, и тело погибает. И все это зависит от электричества.
Работа проводящих клеток начинается с потенциала действия, но это не такой потенциал действия, как в нервной системе. Дело в том, что нет таких нервов, которые управляли бы сердечными мышцами, как скелетными. Сердце – одна большая мышца, но необычная. Это самостоятельная мышца, которая движется без нашего приказа: как известно, сердцебиение не подчиняется нашему контролю. За счет концентрации внимания и долгим тренировкам можно научиться замедлять сердечный ритм, но остановить его по своей воле, как закрыть глаза, не получится. Сердечная мышца, подобно нервным клеткам, создает собственный потенциал действия, только без участия химических синапсов.
Как же в таком случае потенциал действия передается от одной клетки к другой? Как сигнал проводящих клеток сообщается всем мышечным клеткам сердца? Оказывается, клетки сердечной мышцы соединены между собой не через обычные синапсы, а напрямую – скоростными электрическими “линиями связи”: через те самые щелевые контакты, которые я упоминала в предыдущей главе[143]. Эти “двери” в совмещенных гостиничных комнатах обычно остаются открытыми, так что сигналы могут свободно и мгновенно перемещаться между комнатами. То, что знает или чувствует одна клетка, тут же сообщается через открытую дверь соседней. Этот способ коммуникации примерно в десять раз быстрее сообщения через обычный химический синапс, поскольку в этом процессе не задействованы нейромедиаторы, преодолевающие пространство между клетками.
Как раз таким образом сердечный ритм передается из верхней части органа в нижнюю часть, гарантируя, что выходящая из сердца кровь всегда выталкивается наружу ровно за полсекунды до поступления новой порции.
Именно эту синхронную волну уловил Уоллер. Но его прибор был слишком примитивным и не позволял разглядеть детали, что стало возможным только после изобретения Эйнтховеном причудливой струны. И только тогда впервые стали видны зубчатые всплески, которые знакомы вам по телесериалам о врачах (или из личного опыта, если вы сами когда-нибудь проходили проверку на кардиографе).
Однако гораздо интереснее, что более точные измерения Эйнтховена позволили наблюдать не только за нормальной функцией сердца, но и распознавать, когда с сердцебиением что-то не в порядке. Его струна позволила не только визуально различать характеристики здорового и больного сердца, но и выявлять специфические признаки конкретных заболеваний, например, аномально низкую частоту сердцебиений. При этом состоянии, называемом брадикардией, кровь не может доставлять необходимое количество кислорода к мозгу и другим тканям, и люди с этим заболеванием часто страдают от головокружения, слабости или обмороков.
Мы начали использовать электричество для “починки” сбоящих сигналов задолго до того, как окончательно поняли механизмы их передачи и функции.
Искусственный водитель ритма
Искусственный водитель ритма (электрокардиостимулятор) родился на операционном столе в Пруссии в 1878 году. Катарина Серафин выжила после тяжелой хирургической операции по удалению злокачественной опухоли, но теперь ее сердце было прикрыто лишь тонким слоем кожи[144]. Немецкий врач Гуго фон Цимсен воспользовался этой редкой возможностью, чтобы стимулировать сердце механическим и электрическим способом, и это позволило понять, что на сердце можно влиять напрямую с помощью электричества. На основании предыдущих исследований, таких как эксперименты Альдини, было принято считать, что воздействовать на сердце с помощью электричества можно только через нервную систему.
Проводя эксперименты на сердце Серафин, Цимссен понял, что под влиянием периодических импульсов постоянного тока (такого же, как тот, что генерирует батарейка Вольты), частота которых лишь немного превышает частоту обычных сердцебиений, сердце пытается подстраиваться под этот искусственный метроном. И это доказывало, что аномальный ритм можно преодолеть (или восстановить исчезнувший) путем применения искусственного электрического пульса к тому участку сердца, откуда исходят естественные электрические сигналы. Однако ни к каким серьезным прорывам это не привело. Данный метод работал только при размещении электродов непосредственно на открытой поверхности сердца и не работал при передаче электрических импульсов через закрытую грудную клетку. А так как немногие готовы были пойти на вскрытие грудной клетки ради кардиостимуляции, никакой пользы от этого открытия не было.
Прошло еще тридцать лет, прежде чем это наблюдение легло в основу новых медицинских приложений. Этому способствовала электрификация Америки, сопровождавшаяся резким ростом числа несчастных случаев в результате поражения электрическим током[145] и тех самых “временных смертей”, с которыми Альдини пытался бороться сотней с лишним лет раньше. Только теперь решение этой проблемы стало жизненно необходимым. Стало понятно, что можно восстановить или скорректировать сердечный ритм, но оставался вопрос, как поддерживать работу сердца дальше. В результате исследований было создано устройство, способное постоянно поддерживать сердечный ритм, и вид оно имело совершенно чудовищный.
По размеру устройство напоминало небольшой чемодан, весило 7,2 килограмма (около 16 фунтов) и заводилось рукояткой[146]. Оно производило электричество, которое по проводам поступало в иглу, а иглу вводили в сердце. Прибор работал, но проверить его в рамках клинических испытаний было чрезвычайно сложно. Очень важно было воткнуть иглу в правильное место; ошибка приводила к смертельно опасному кровоизлиянию. В 1932 году это устройство и его создатель Альберт Гиман были осуждены Американской ассоциацией врачей: утверждалось, что сообщения о реанимации людей с помощью таких уколов в сердце “сродни чудесам”[147]. Скептицизм был отчасти вызван осадком от многолетней истории экспериментов в духе Альдини, и по этой причине американские предприниматели не хотели жертвовать своей репутацией, участвуя в производстве прибора Гимана.
Тем не менее ввиду медицинской необходимости и благодаря доступности более совершенных материалов в 1950-е годы врачи обзавелись устройством другой конструкции. Впрочем, назвать его усовершенствованием трудно. Пациентам приходилось катить его на тележке вместе с мотками кабеля. Иногда требовалось подключение к розетке (и беда, если питания не было, а такое иногда случалось). Для создания имплантируемых устройств (оптимального варианта с точки зрения портативности) требовались более надежные источники тока, чем те, что имелись в наличии в то время.
Воспламеняем сердце
Если вам кажется, что ядерная энергия – не лучший выбор в качестве источника питания для сердечного имплантата, 139 человек могли бы с вами поспорить[148]. В 1970-е годы несколько производителей выпускали электрокардиостимуляторы, работавшие на плутонии. Тепло, выделяющееся при распаде этого радиоактивного изотопа, превращалось в электричество, которое питало устройство[149]. Беспокоиться не стоило: источник энергии был “достаточно хорошо экранирован и передавал пациенту очень низкую дозу излучения”. Схемы питания кардиостимуляторов становились все страннее и страннее – например, появилось одно устройство, которое работало на биологическом электричестве и в концептуальном плане напоминало лягушачью батарейку Маттеуччи[150].
В 1958 году Уилсон Грэйтбатч предложил долговечный источник энергии, не столь пугающий, как плутоний; он изобрел кардиостимулятор на литиевой батарейке, который широко используется до сих пор[151]. За пару десятилетий его изобретение превратилось в небольшое имплантируемое устройство – современный электрокардиостимулятор.
Принцип действия устройства достаточно прост, а встраивают его примерно так же, как это делал Гиман. К счастью, больше никто не прокалывает сердце иглой. Вместо этого в место, которое является источником проблемы, хирургическим путем встраивают электрод. Этот электрод соединен с генератором импульсов проводом, переносящим стимулирующий электрический заряд: по сути это похоже на проволоку от воздушного змея, которую Бенджамин Франклин использовал для привлечения молнии. Но этот проводник проводит не атмосферное электричество, а крохотные заряды от стимулирующего блока на батарейках – собственно кардиостимулятора. Современные устройства совсем крохотные (особенно по сравнению со своими ранними прототипами на тележках), размером с десятипенсовую монетку, и все еще продолжают уменьшаться.
Чаще всего электрокардиостимуляторы используются для ускорения сердечного ритма при пониженной частоте сердцебиений (брадикардии). Крохотные импульсы перебивают собственное биоэлектричество сердца за счет слабых регулярных электрических ударов, заставляющих сердце сокращаться с правильной частотой.
Когда импульсы достигают мышечных клеток в синусовом узле (первая “костяшка домино”), электрическая стимуляция принудительно изменяет мембранный потенциал клетки[152]. Происходит деполяризация мышечной клетки и открытие потенциал-зависимых натриевых каналов, что запускает потенциал действия. А это, в свою очередь, приводит в действие весь каскад процесса сердцебиения.
Некоторые самые продвинутые модели электрокардиостимуляторов не просто “подталкивают” сердце; они могут сами “слушать” ритмы и гарантировать подачу правильных импульсов в правильное время – они модулируют сердечный ритм человека в реальном времени. Благодаря этой способности отвечать на сигналы в реальном времени такие электрокардиостимуляторы относят к категории контроллеров с обратной связью.
После того как Грэйтбатч применил литий-ионную батарейку, события стали развиваться быстрее. В 1960-е годы благодаря нескольким важнейшим технологическим новшествам XX века, таким как пластик, транзисторы, микрочипы и аккумуляторы, стало возможным производить вживляемые и надежные электрокардиостимуляторы[153]. Инженеры и ученые, создавшие эти функциональные устройства, основали компанию по производству медицинского оборудования под названием Medtronic. За последующие двадцать лет число пациентов с электрокардиостимуляторами быстро выросло от нескольких человек до почти полумиллиона.
В конце 1960-х годов нейрохирург из Висконсина взял имплантируемый кардиостимулятор фирмы Medtronic и впервые приспособил его для использования в другой части тела для лечения пациентов с хроническими заболеваниями. Устройство имплантировали в позвоночник, но это было лишь началом необычного путешествия электрокардиостимулятора, который вскоре нашел себе новый дом в головном мозге.
И такой же путь проделали методы диагностики, начавшиеся с ранних работ Уоллера. Позволив врачам диагностировать аномалии в работе сердца в стационарных условиях, а затем разработать первые методы регистрации активности мозга, электрокардиограф стал основой ряда других электрических методов визуализации, используемых для диагностики нарушений сна и неврологических расстройств. Такая продвинутая диагностика мозговых нарушений, в свою очередь, способствовала пониманию того, что животное электричество является способом шифрования информации, позволяющим телу общаться с самим собой с помощью своеобразного нейронного кода. Эта идея зародилась в XX веке и расцвела в нейробиологии XXI века. Теперь многие убеждены в том, что с помощью новых устройств, произошедших от первого устройства Уоллера, мы вплотную подошли к чтению мыслей на основании электрической активности мозга и, возможно, к раскрытию секретов сознания.