Анатомия жива! Удивительные и важные медицинские открытия XX-XXI веков, которые остались незамеченными бесплатное чтение

Даниил Давыдов
Анатомия жива! Удивительные и важные медицинские открытия XX–XXI веков, которые остались незамеченными

© Давыдов Д.С., текст, 2021

© Дьякова А.В., иллюстрации, 2022

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2022

* * *

Моей семье:

Сергею Давыдову,

который научил меня читать,

Ларисе Давыдовой,

которая привила мне любовь

к биологии и медицине,

и жене Елене – без ее помощи

я бы никогда не превратился из биолога

в научного журналиста.

Введение

Золотой век анатомии начался в XVI столетии и продолжался вплоть до XIX века. Тайны внутреннего устройства человеческого тела привлекали лучших ученых, так что анатомия человека считалась одной из важнейших областей исследований. Престиж анатомии был так высок, что в 1542 году французский анатом, математик и астроном Жан Франсуа Фернель (1497–1558) писал: «Анатомия для физиологии – как география для истории: описывает место действия». Фернель знал, о чем говорит, – в конце концов, именно он придумал термин «физиология» [1].

Однако к началу XX века большая часть органов была уже открыта, а их подробные «портреты» попали в анатомические атласы. Миссия анатомии изменилась – теперь ученые, работавшие в этой области, стремились уточнить строение уже открытых и описанных легких, печени и мозга и разобраться, как именно они работают.

Но к концу XX века многие люди – и среди них немало ученых! – начали считать, что песенка анатомии как области научного исследования спета. В интервью для журнала The Conversation профессор эволюционной биомеханики из Лондонского университета Джон Хатчинсон вспоминает [2, 3]: в 90-х годах XX века, когда он учился в аспирантуре, многие его коллеги считали, что строение человеческого тела давным-давно изучено и новых открытий в этой области не предвидится.

Но XXI век показал, что ученые и врачи серьезно переоценили свои знания и недооценили чудесную шкатулку с секретами – человеческое тело.

Современные методы исследования принесли и новые анатомические открытия, причем довольно крупные: от лимфатической системы мозга до неизвестных слюнных желез, которые обнаружили в глотке в 2021 году.

В общем, хоронить старушку-анатомию явно преждевременно. Я уверен, что наше тело еще преподнесет ученым немало сюрпризов. А пока предлагаю почитать о том, что нам в XX–XXI веках удалось узнать о строении и работе тела.

Но прежде чем двигаться, я должен сказать несколько слов о том, как устроена книга, – и сразу же извиниться за ее неполноту. Объем книги не бесконечен, поэтому я включил в нее только те открытия, которые показались мне самыми важными и интересными.

А еще я должен попросить прощения у тех блестящих ученых, которые приложили руку ко многим из упомянутых в книге открытий, но либо не попали в книгу, либо упомянуты только вскользь. В свое оправдание я могу сказать только одно: у меня не было другого выхода. Большинство научных открытий случились только потому, что в этом направлении в разное время работали десятки, а иногда и сотни исследователей. Но если упомянуть всех, то история просто рассыплется на кусочки!

Как читать эту книгу

Человеческое тело устроено сложно. Чтобы говорить о нем правдиво и без лишних упрощений, нужен особый анатомический язык, на овладение которым у специалистов уходит по нескольку лет.

Но поскольку у нас этого времени нет, каждую историю об анатомическом открытии я буду предварять коротким введением. Там я в общих чертах расскажу, как устроен и работает орган, о котором идет речь, и познакомлю с основными понятиями анатомического языка, которые потребуются нам в разговоре об этой части организма.

Во второй части каждой главы я расскажу о том, что уже было известно ученым об устройстве органа к концу XIX века. Это важно, ведь многие наши герои совершили свои открытия, возражая своим предшественникам и дискутируя с ними.

В третьей и четвертой частях глав речь пойдет о том, как именно было сделано то или иное анатомическое открытие. Мы увидим, как рассуждали ученые, к каким методам прибегали, с кем спорили и чьи концепции опровергали – и к каким выводам в итоге пришли.

И, наконец, в конце каждой главы расскажу о практической пользе анатомических открытий. Ведь анатомия – именно та наука, прорывы в которой в самом прямом смысле слова спасают жизни. Правда, в главах, посвященных XXI веку, мне зачастую пришлось сочинять. Ведь открытия совсем свежие, можно сказать, с иголочки – так что пока непонятно, к чему все это приведет.

Глава 1
Тайна работы сердца: 1906–1907

С устройством сердца анатомы разбирались в течение долгих тысячелетий. Проблема была и в религиозном запрете на вскрытие тел – в разные эпохи его разделяли представители практически всех человеческих цивилизаций, – и в сложном устройстве самого органа.

Однако наука не стояла на месте. К началу XX века ученые подошли, имея на руках достаточно подробное и точное описание анатомического устройства сердца. При этом оставался нерешенным важный вопрос: почему же оно все-таки бьется и не сбивается с ритма? Чтобы было понятно, почему этот вопрос оказался таким важным и сложным, давайте на минутку заглянем внутрь сердца.

Как устроено сердце

Сердце – мышечный насос, который перекачивает кровь. Размером сердце примерно с кулак, хотя по форме больше похоже на конус. Расположено оно почти посередине грудной клетки, с небольшим креном влево. Грудная клетка – прекрасное место для сердца, потому что крепкая клетка из ребер обеспечивает ему надежную защиту.

Ритмичные сокращения сердца – мы называем это сердцебиением – отправляют кровь в великое путешествие по телу. Без этого путешествия мы просто не смогли бы жить.

Сердце можно сравнить с транспортной развязкой, где сбегаются все кровеносные сосуды – автомагистрали организма.

И у сердца, и у автомобильной развязки одна и та же задача – не дать перепутаться транспортным потокам. Два главных транспортных потока, разделяющих сердце, – артериальная и венозная кровь. А два маршрута, по которым нужно направить эти потоки, называются большим и малым кругами кровообращения.

Малый круг кровообращения идет от сердца к легким и обратно, а большой – от сердца к органам и тканям и возвращается назад к сердцу.

Разделение крови возможно благодаря особому устройству сердца – оно состоит из правой и левой частей.

Правая часть работает с венозной, то есть с насыщенной углекислым газом кровью, которая возвращается от органов и тканей.

А левая – с артериальной, богатой кислородом кровью, приходящей из легких. Благодаря перегородке, разделяющей сердце на две части, артериальная и венозная кровь не смешиваются.

Каждая половинка сердца разделена перегородкой еще на две части: верхняя называется предсердием, а нижняя – желудочком. То есть у сердца четыре камеры: два предсердия и два желудочка. Предсердия и желудочки работают синхронно. Это необходимо для нормального функционирования сердца. Ведь если бы каждая камера сокращалась в собственном темпе, добиться синхронности было бы очень сложно.

Циркуляция крови

Когда расслабляется правое предсердие, одновременно расслабляется и левое. В этот момент оба предсердия наполняются кровью: правое – венозной из полой вены, которая идет от тела, а левое – артериальной из легочной вены, идущей от легких. Эта фаза сердечного цикла называется диастолой.

И справа, и слева между предсердием и желудочком есть «дверца» из тонкой, но прочной соединительной ткани. Эти «дверцы» называют предсердно-желудочковыми клапанами. Они нужны, чтобы кровь всегда текла в одном направлении, от предсердий в желудочки.

Когда предсердия сокращаются, предсердно-желудочковые клапаны открываются, и кровь из предсердий переходит в расслабленные желудочки. Наполнившись кровью, желудочки одновременно сокращаются. В результате венозная кровь из правого желудочка поступает в артерию, которая несет ее в легкие, а артериальная кровь из левого желудочка попадает в крупную артерию – аорту, откуда бежит к органам и тканям. Эта фаза сердечного цикла называется систолой.

В артериях, по которым кровь уходит из сердца, тоже есть клапаны – они мешают ей возвращаться в сердце. Когда кровь из сердца поступает в сосуды, клапаны открываются и закрываются, издавая особый звук, который мы называем стуком.

Дело сделано! Венозная кровь от сердца отправилась в легкие избавляться от углекислого газа и насыщаться кислородом, а артериальная кровь из сердца понесла кислород к клеткам всего тела. Но как именно сердцу это удалось?

Что ученые знали о сердце к началу XX века

Самыми первыми исследователями, которые всерьез взялись за изучение анатомии сердца, принято считать двух древнегреческих анатомов [4] – Герофила и Эрасистрата, которые жили во второй половине III века до нашей эры. Этим ученым повезло дважды: во-первых, они жили и работали в Александрии – античной столице наук. А во-вторых, они застали времена, когда можно было проводить вскрытия умерших естественной смертью или казненных людей.

Возможность вскрывать трупы, не боясь осуждения жрецов и преследования со стороны закона, быстро принесла свои плоды. Эрасистрат не только описал форму сердца, но и обнаружил, что внутри у него есть полости-камеры, разделенные клапанами. Он же доказал, что в сердце впадают все кровеносные сосуды в организме.

Правда, тот же Эрасистрат искренне считал, что артерии, как и левый желудочек сердца, наполнены воздухом, а не кровью. К тому же он был убежден, что люди вдыхают и выдыхают через поры кожи, и думал, что в сердце есть всего две камеры.

Больше подробностей о том, как Эрасистрат представлял себе работу артерий, можно найти в главе 7. А о том, зачем нужны вены – в главе 3.

По его мнению, предсердия были просто расширениями артерий, впадающих в сердце. Это, кстати, противоречило мнению его коллеги Герофила, который считал, что предсердия – часть сердца, так что камер в нем все-таки четыре.

Исправить ошибку Эрасистрат не успел. Даже в просвещенной Александрии вскрытия разрешалось делать всего 30–40 лет, и вскоре эту практику запретили. С тех самых пор и до эпохи Возрождения, то есть до конца XV века, официально заниматься анатомированием трупов было фактически невозможно. В итоге ошибочное мнение Эрасистрата, что в сердце всего две камеры, продержалось вплоть до XVII века.

Но стоило только религиозным запретам ослабеть, как десятки талантливых людей с энтузиазмом взялись за скальпели. Среди них были не только врачи, но и художники, причем вклад последних в науку об устройстве и работе человеческого тела был едва ли не самым весомым.

Сегодня многие исследователи считают, что первым человеком, оставившим подробные иллюстрации, на которых хорошо видны все четыре камеры сердца, был знаменитый художник XVI века Леонардо да Винчи.

К сожалению для науки, Леонардо да Винчи, судя по всему, был не слишком амбициозным исследователем. Во всяком случае, он так и не передал свои рукописи в печать [5]. Так что даже в знаменитой De humani corporis fabrica Андреаса Везалия^[1], вышедшей в свет в 1543 году, которую многие исследователи считают самым первым качественным анатомическим атласом, сердце все еще двухкамерное.

Идея четырехкамерного сердца, которое бьется для того, чтобы разносить кровь по телу, восторжествовала только в XIX веке. Поблагодарить за это мы должны многих ученых, но особенно Ричарда Лоуэра^[2]. Считается, что именно он в 1669 году поставил в этом вопросе жирную точку. В дальнейшем анатомы и врачи в основном уточняли строение сердца – например, описали систему коронарных сосудов, питающих само сердце. Но вплоть до начала XIX века, насколько известно, никто не пытался разобраться, почему же оно вообще работает так, как нужно.

Управляющие сердцебиением клетки обнаружил знаменитый чешский анатом и физиолог Ян Эвангелиста Пуркинье (1787–1869) [6]. Это было далеко не первое его открытие. Именно он отыскал тормозные нейроны в коре головного мозга (в честь исследователя их потом назовут нервными клетками Пуркинье), нашел потовые железы в коже, доказал, что экстракты поджелудочной железы влияют на переваривание белков, и сделал еще много всего – например, ввел в научный обиход термин «протоплазма».

Но для нас важнее другое его открытие. В 1839 году Пуркинье вскрыл баранье сердце и обнаружил в стенках его желудочков сеть из серых плоских водянистых волокон. Первоначально исследователь решил, что это хрящевые волокна, но через шесть лет пришел к выводу, что все-таки мышечные. Правда, для чего они нужны сердцу, Пуркинье в то время выяснить не смог.

К ответу на этот вопрос вплотную подобрался английский физиолог Уолтер Холбрук Гаскелл (1847–1914) [7]. Почти всю свою жизнь он посвятил исследованиям кровотока и сердцебиения. Возможно, Гаскелл был первым, кто заподозрил, что сокращениями сердца управляет вовсе не мозг. Вероятно, именно поэтому он в начале 1880 года организовал важный эксперимент: извлек из еще сокращающегося желудочка сердца черепахи полоску мышцы и доказал, что она продолжает сокращаться, хотя ведущие к ней нервы уже обрезаны.

Сердце черепахи оказалось хорошим экспериментальным объектом, ведь оно очень медленно сокращается. Наблюдая за сокращениями, Гаскелл заметил, что волна сокращений зарождается в конкретном месте сердца и постепенно распространяется на другие его части. А что будет, если помешать волне сокращений перемещаться по сердцу?

В 1882–1883 годах он провел серию экспериментов, в которых перерезал или перевязывал мышцы на стыке желудочков и предсердий. Если мышцу перерезали, волны сокращений прекращали распространяться раз и навсегда, а если сначала перевязывали, а потом снимали нитку, – начинали снова. Гаскелл подозревал, что сокращения проводит «особая эмбриональная мышечная ткань», по описанию напоминающая волокна Пуркинье.

Но предполагать и доказать – разные вещи. Эта честь выпала на долю коллег Гаскелла, которые жили и работали уже не в XIX, а в XX веке.

Так почему же оно бьется?

В 1906–1907 годах ответ на этот вопрос дали четыре исследователя [8] – один из них был родом из Японии, второй – из Германии, а двое других – из Великобритании.

Гис: предсердие и желудочки соединяет мышечный пучок, который, возможно, проводит импульсы для сокращения сердца

К ответу вплотную подошел немецкий кардиолог Вильгельм Гис – младший (1863–1934) [9]. Младший – это чтобы не перепутать. Отец Вильгельма Гиса, тоже Вильгельм, к моменту прихода сына в науку уже сделал себе имя как анатом и эмбриолог. Но для начала Гис-младший доказал, что верна миогенная, то есть мышечная, теория сокращения сердца. Несмотря на открытия Гаскелла, во времена Гиса многие анатомы все еще думали, что сердце бьется по прямым приказам мозга, которые тот «спускает» через спинномозговые нервы. Эти взгляды объединяли сторонников нейрогенной теории сокращения сердца.

Примерно с 1888 года молодой исследователь начал использовать в работе эмбриологические методы, разработанные его отцом. Наблюдая за развитием эмбрионов разных животных, Гис обнаружил, что сердце эмбриона начинает биться еще до того, как развиваются спинномозговые нервы. Шах и мат, сторонники нейрогенной теории!

На этом Гис не остановился. В 1893 году он обнаружил мышечный пучок, который объединяет стенки предсердия и межжелудочковой перегородки. Позже его назвали пучком Гиса. Хоть исследователь и предполагал, что мышечный пучок проводит импульсы, заставляющие сердце сокращаться, он не провел никаких экспериментов, чтобы это доказать. А вскоре и вовсе оставил занятия эмбриологией, чтобы стать профессором внутренней медицины и директором клиники в Берлине.

Тавара, Ашофф, Кейт и Флэк раскрывают загадку сердцебиения

Начался XX век, а загадка сердцебиения все еще не была разгадана. И кто знает, когда бы еще человечество разобралось с этим вопросом, если бы не японский патолог и физиолог Сунао Тавара (1873–1952) [10].

С середины XIX века правительство Японии – некогда изолированного от всего мира феодального государства – понемногу начало открывать границы, модернизировать производство и переосмыслять образование. В последнем вопросе японцы ориентировались в первую очередь на Германию: немецкие профессора приезжали преподавать в японские университеты, а японские студенты повалили в немецкие учебные заведения.

Одного из японских студентов, попавших на стажировку в Германию, звали Сунао Тавара. Еще студентом медицинского факультета Токийского университета он заинтересовался анатомией, так что в 1903 году Тавару отправили стажироваться в Институт патологической анатомии Людвига Ашоффа (который жил в 1866–1942 годах) [11]. Ашофф, уже вполне состоявшийся ученый, в то время особенно интересовался физиологией сердца, поэтому новый сотрудник почти с порога получил важное и трудное задание. Тавара должен был исследовать под микроскопом ткани 150 сердец, принадлежавших людям, погибшим от ревматического миокардита. Ему предстояло разобраться, как развивается воспаление мышц сердца при этой болезни. Тавара справился, обнаружив в мышцах сердца небольшие воспалительные участки, с появления которых начинался миокардит. Позже эти участки назвали тельцами Ашоффа.

Но самого Тавару миокардит не так уж интересовал. Он ставил себе более амбициозные задачи: стремился выяснить, зачем на самом деле нужны волокна Пуркинье и пучок Гиса и правда ли, что именно они проводят импульсы, заставляющие сокращаться сердечную мышцу.

Первая цель, которую поставил себе Тавара, – проследить, где заканчивается пучок Гиса. Задача была не из легких: японскому исследователю пришлось кропотливо исследовать под микроскопом тысячи тонких срезов сердца. Но ему было уже не привыкать – в конце концов, чтобы обнаружить тельца Ашоффа, тоже пришлось потрудиться.

В конце концов Тавара обнаружил, что пучок Гиса чем-то походит на дерево. Его «корень» начинается в похожем на узел скоплении клеток у основания перегородки, разделяющей предсердия – сегодня этот участок называют атриовентрикулярным узлом. Из этого узла, как из корня, вырастает «ствол», состоящий из пучка видоизмененных мышечных клеток, утративших способность сокращаться. Этот «ствол» заходит в перегородку, разделяющую желудочки, и делится там на две «ветви» – правую и левую ножки Гиса. Правая ножка заходит в правую стенку предсердия, а левая – в левую. Внутри стенок предсердий ножки Гиса делятся на более мелкие «ветки» – мышечные волокна. Тавара доказал, что это и есть волокна Пуркинье.

Но он не ограничился тем, что собрал в единую систему загадочные мышечные волокна. Тавара предположил – и оказался совершенно прав – что по «дереву» из мышечных волокон, составляющих пучок Гиса, распространяется электрический импульс, который заставляет сокращаться мышцы сердца по направлению от предсердий к желудочкам, как это в свое время показал Гаскелл.

Людвиг Ашофф высоко оценил работу ученика и добился, чтобы ее приняли к публикации. Так что оба исследователя – японский и немецкий – вошли в историю как отцы-основатели электрофизиологии.

И все бы хорошо, но оставался нерешенным один очень важный вопрос: а откуда, собственно, в сердце возникает тот самый электрический импульс, который затем бежит по пучку Гиса? Найти ответ смогли два британских исследователя: анатом и антрополог Артур Кейт (1866–1955) и студент-медик Мартин Флэк (1882–1931) [12, 13].

Артур Кейт заинтересовался анатомией еще во время учебы в медицинской школе при шотландском Университете Абердина. В 1893 году его назначили куратором Музея Королевской лондонской больницы – там он демонстрировал посетителям анатомические препараты.

Человеком он был любознательным, поэтому внимательно следил за новостями анатомии и охотно общался с исследователями. В 1905 году Кейт познакомился с кардиологом Джеймсом Маккензи и вслед за новым другом заболел исследованиями сердечной проводимости.

В конце 1905 года Маккензи показал Кейту статью, посвященную сердечным узлам, и предложил поискать такие же на анатомических препаратах сердца. Кейт согласился, но ничего не нашел, о чем и написал в ответном письме.

Но Маккензи не успокоился и переслал Кейту статью Людвига Ашоффа, посвященную исследованиям Тавары, в которой тот описывал, как пучок Гиса растет из атриовентрикулярного узла. Кейт честно признал свою ошибку, а после обнаружил и саму описанную Таварой систему. Но теперь ему нестерпимо захотелось узнать, откуда же берется электрическая искра, возбуждающая атриовентрикулярный узел.

Сказано – сделано. Летом 1906 года Кейт создал в своем коттедже импровизированную анатомическую лабораторию и позвал в помощники соседского сына Мартина Флэка.

Опираясь на уже опубликованные статьи, энтузиасты предположили, что электрическая искра должна возникать в области, где в правое предсердие впадает верхняя полая вена. Чтобы найти точное место, они сделали тонкие срезы сердца и отправили препараты под микроскоп.

По легенде, Мартин Флэк обнаружил искомый узел, когда его босс с супругой катались по окрестностям на велосипеде. На стыке верхней полой вены с правым предсердием он обнаружил бугорок, очень похожий на узел Тавары. Этот бугорок явно отвечал за что-то важное, потому что к нему шла собственная небольшая артерия.

Но самое важное открытие состояло в том, что к узелку Кейта и Флэка – сегодня мы называем эту анатомическую структуру синоатриальным узлом – были подключены блуждающий и симпатический нервы.

Хорошенько все перепроверив, исследователи пришли к выводу, что нервы – это и есть источник электрической искры, которая разбегается по всему «дереву» Тавары, заставляя сердечную мышцу сокращаться. Наконец-то загадка была разгадана!

Сложим открытия в одну корзину

Сегодня мы знаем, что сердце действительно способно сокращаться самостоятельно, без контроля нервной системы. Но для того чтобы завестись, сердцу, как и мотору в машине, нужна первоначальная искра. В машине искру высекает свеча зажигания, а в сердце за первоначальный электрический импульс отвечают нервы, которые подходят к синоатриальному узлу.

После того как первоначальный нервный импульс задаст ритм, синоатриальный узел становится самостимулируемым, то есть для того, чтобы задавать ритм, ему больше не нужно получать сигналы от нервов. От синоатриального узла в левое предсердие и к атриовентрикулярному узлу бегут мышечные пучки.

Проходя по предсердным пучкам, нервный импульс способствует сокращению предсердий. Затем он добирается до атриовентрикулярного узла, разбегается по пучку Гиса по желудочкам, и они тоже начинают сокращаться. А поскольку до предсердия импульс добирается раньше, чем до желудочков, возникает пауза, столь необходимая для работы сердца.

Как открытие проводящих путей сердца изменило кардиологию

Перечислять, к каким революционным изменениям привели открытия анатомов XX века, можно долго. Расскажем хотя бы о двух из них – об электрокардиографе и электрокардиостимуляторе.

Для начала, открытие подарило врачам возможность читать электрокардиограмму (ЭКГ). Нидерландский физиолог Виллем Эйнтховен (1860–1927) [14] изобрел прототип кардиографа – тогда его называли струнным гальванометром – еще в 1901 году. Но разобраться в записях прибора без открытий Тавары, Ашоффа, Кейта и Флэка все равно не получилось бы.

Дело в том, что электрокардиограф рисует на бумажной ленте не сокращения сердца, а линию, соответствующую пути, которую электрический импульс проходит от синоатриального узла до последнего волоконца Пуркинье.

Проводящие мышечные волокна распространяют нервный импульс по сердцу точно так же, как и нейроны. Волна возбуждения, которую они проводят, создает потенциал действия: он бежит по волокну и заставляет сокращаться сердечную мышцу. Когда волокно возбуждается или, наоборот, возвращается в состояние покоя, на ленте ЭКГ появляется зубец.

Предсердия сокращаются с середины Р-пика и примерно до середины QRS-пика. Затем начинают сокращаться желудочки, и сокращаются почти до конца T-волны. С конца Т-волны и до начала Р-пика график ЭКГ представляет собой почти прямую линию, потому что и предсердия, и желудочки в это время расслаблены. Если же ЭКГ рисует какой-то другой, «неправильный» график, кардиолог не только сразу видит, что у сердца появилась проблема с проводимостью, но и понимает, на каком именно участке дерева Гиса это случилось.

Вторая очень важная вещь, которая никогда не появилась бы без открытия сердечной проводимости, – это электрокардиостимулятор.

Сама мысль о том, что остановившееся сердце можно запустить, если вновь высечь в нем электрическую искру, была бы невозможна, если бы ученые не смогли разобраться, почему же оно вообще бьется.

Пожалуй, четверку анатомов-первооткрывателей можно по праву назвать не только отцами-основателями электрофизиологии, но и реаниматологии!

Глава 2
Тайны позвоночной венозной системы: 1940–1970

Если бы позвоночник придумал человек, он получил бы Притцкеровскую премию – это такая Нобелевская премия для архитекторов. Жюри наверняка отметило бы многофункциональность, практичность и элегантность такого решения, ведь позвоночник не только поддерживает все тело в вертикальном положении и амортизирует его при ходьбе, но еще и защищает спинной мозг – «телефонный кабель», с помощью которого головной мозг «созванивается» со всеми частями тела.

На рубеже XIX и XX веков ученые уже очень неплохо представляли, как работает позвоночник, и хорошо понимали, как он снабжается кровью. Но позвоночная венозная система все еще хранила несколько важных секретов. Например, только в XX веке ученым удалось выяснить, что без системы позвоночных вен мы даже не смогли бы встать с кровати.

Как устроен позвоночник

Позвоночник похож на конструктор. Он состоит из 30–33 отдельных костей-позвонков [15], собранных в единый каркас, на котором и держится все тело. Между позвонками находятся «амортизаторы» – хрящевые межпозвоночные диски. Они напоминают подушки с плотной наволочкой, заполненной мягким гелем, – именно он уменьшает трение, когда мы поворачиваем шею или нагибаемся.

Если взглянуть сбоку, позвоночник взрослого человека будет похож на латинскую букву S. Шейный и поясничный отделы имеют вогнутую форму, а грудной и крестцовый образуют плавные выпуклости. Это превращает позвоночник в элегантную костную «пружину», которая амортизирует удары при ходьбе.

Но самое интересное прячется внутри костных отростков позвонков, которые образуют спинномозговой канал. Это, конечно, спинной мозг. Как и головной, спинной мозг покрыт тремя мозговыми оболочками [16]: твердой, арахноидальной и мягкой. Оболочки защищают спинной мозг – примерно как стены средневекового замка.

Спинной мозг похож на телефонный кабель не только по своим задачам. Он состоит из пучков «проводов» – нервов, некоторые проходят через отверстия между костными отростками позвонков и «подключаются» к разным частям нашего тела. Всего у нас 31 пара спинномозговых нервов. Каждый такой нерв состоит из переднего (двигательного) и заднего (чувствительного) корешков. Двигательный корешок отправляет команды от головного и спинного мозга к другим частям тела, в первую очередь скелетным мышцам. А чувствительные корешки передают информацию в мозг от других частей тела.

Спинной мозг проходит не через весь позвоночник, а только примерно через три четверти его длины. В нижней части позвоночника мозг «выпускает» длинный пучок спинномозговых нервов, которые управляют ногами, – этот пучок напоминает конский хвост, именно так анатомы его и называют.

Вся эта сложная конструкция должна получать кислород и питательные вещества и как-то избавляться от отходов. Эти задачи в нашем организме выполняет кровеносная система. Но, оказывается, роль позвоночного венозного сплетения не исчерпывается только доставкой питания и вывозом мусора.

Что ученые знали о кровоснабжении позвоночника к началу XX века

Позвоночную венозную сеть открыл Андреас Везалий в 1543 году. Правда, в De humani corporis fabrica, самый первый анатомический атлас в истории, позвоночные вены не попали.

Возможно, знаменитый анатом счел свое открытие не слишком важным или просто не придумал способа сохранить вены от повреждений при вскрытии, поэтому их не получилось зарисовать.

На анатомические иллюстрации позвоночные вены попали только в 1819 году [17]. Их изобразил французский анатом Жильбер Бреше. Скорее всего, сделать изображение получилось в том числе благодаря усовершенствованию препаровальной техники. Чтобы избежать разрушения хрупких сосудов, Бреше при помощи шприца закачивал в них смесь из «воска, мягкого скипидара и массы из смолы, окрашенной цианидом железа»^[3]. Этот состав окрашивал и бережно консервировал вены, сохраняя их форму.

При этом французский анатом не ограничился простым описанием и зарисовками. Бреше выяснил, что вены позвоночника образуют несколько связанных между собой венозных сплетений и сообщаются с венами головного мозга.

Современник Бреше, известный патологоанатом Жан Батист Крювелье, предположил, что кровь из вен головного мозга способна перемещаться в венозное сплетение спинного мозга. Вскоре мы поймем, почему это было так важно.

В 1881 году польский патологоанатом Альберт Адамкевич [18] описал строение артерий спинного мозга. Одна из самых крупных позвоночных артерий – большая передняя корешковая – получила имя в честь первооткрывателя. Сегодня часть врачей называют ее артерией Адамкевича, а часть – артерией поясничного утолщения Лазорта.

Сеть позвоночных артерий несет богатую кислородом кровь к мышцам спины и разным отделам спинного мозга, а еще быстро перераспределяет кровь, если тромб перекрывает одну из крупных артерий.

В дальнейшем речь пойдет о позвоночных венах: в XX веке ученым предстояло узнать о них много интересного.

Опираясь на открытия французского мэтра, в 1885 году американский хирург Джеймс Леонард Корнинг впервые провел успешную спинальную анестезию. Он направил иглу между остистыми отростками двух нижних позвонков пациента, попал в спинномозговую вену и ввел в нее раствор кокаина. Так ему удалось обезболить всю нижнюю часть тела пациента, начиная от поясницы.

Хотя далеко не все тогдашние врачи оценили потенциал спинальной анестезии, сам факт существования спинномозговых вен при жизни Бреше считался широко известным. Во всяком случае, изображения вен есть в самых известных анатомических атласах XIX века. Тем более удивительно, что после смерти французского анатома о позвоночных венах забыли на целых 120 лет.

Как в головной мозг попадают метастазы из простаты?

«Переоткрыть» позвоночные вены было суждено профессору анатомии Пенсильванского университета американцу Оскару Бэтсону (1894–1979). Будущий исследователь родился в штате Миссури, в семье школьного учителя [19]. После школы Бэтсон поступил в Университет Миссури. Там он увлекся анатомией и решил посвятить ей жизнь.

Пожалуй, в те времена Университет Миссури был наилучшим местом для начала карьеры анатома. Во время учебы Бэтсон познакомился с двумя техническими новшествами, без которых прославившие его анатомические открытия, скорее всего, никогда не состоялись бы.

Первым новшеством была продвинутая техника коррозионной консервации сосудов, которую практически без изменений применяют до сих пор [20]. В кровеносные сосуды медленно, чтобы не образовались пузырьки, вводят жидкую эластичную массу. Когда она застывает, то, что получилось, погружают в стеклянный сосуд и заливают раствором кислоты. Ткани разрушаются, и на дне остаются точные слепки сосудов, которые можно подкрасить и демонстрировать студентам. Эта техника позволяла консервировать вены еще бережнее, чем это делал Бреше.

Вторым новшеством была рентгеноскопия. Во время диагностики [21] рентгеновские лучи проходят сквозь объект – часть из этих лучей поглощают ткани организма, а часть улавливает специальный флуоресцентный экран. В результате исследователь может изучать внутреннее устройство организма в реальном времени. Сегодня при помощи рентгеноскопии врачи обследуют вполне живых пациентов. Бэтсон же стал одним из первых анатомов в истории, получившим возможность исследовать строение кровеносных сосудов трупов, не разрушая окружающие их ткани.

В 1933 году Бэтсон стал профессором анатомии в Высшей медицинской школе Пенсильванского университета, где и проработал всю свою жизнь. Администрация Высшей школы предоставила рентгенологическое оборудование, так что Бэтсон смог провести исследования, которые теперь считаются классическими.

Правда, поначалу Бэтсон не слишком интересовался венами позвоночника. Он хотел найти ответ совсем на другой вопрос [22]: «Почему при раке простаты метастазы оказываются совсем не там, куда им полагается попадать?»

Рак предстательной железы – распространенное и коварное заболевание, которое долго себя не проявляет. Даже в наши дни обнаружить его непросто: пациент должен пройти ректальное обследование и сдать несколько подтверждающих анализов. В 1940-е годы дела обстояли еще хуже.

Как правило, рентгенологи ставили этот диагноз, когда было уже слишком поздно. Поводом сообщить грустные новости были метастазы, которые обнаруживались в костях таза. А иногда, уже после смерти пациента, метастазы из предстательной железы находили в головном мозге.

В те времена ученые предполагали, что метастазы распространяются по лимфатическим сосудам. Однако проблема была в том, что лимфатические сосуды таза идут совсем в другом направлении и совершенно точно не добираются до головного мозга. Бэтсон предположил, что на самом деле раковые клетки покидают простату по сосудам полового члена, из них уходят в систему вен, которые снабжают кровью крестец и позвоночник, и уже по ним добираются до мозга.

Но и с «венозной» гипотезой были проблемы. Давление в венах куда ниже [23], чем в артериях. Чтобы под действием силы тяжести кровь из вен не стекала назад в руки и ноги, в венах предусмотрены специальные перегородки – венозные клапаны. Они нужны, чтобы кровь из вен могла возвращаться к сердцу, игнорируя силу тяжести. Но если вены – перекрытые перегородками сосуды, как же тогда метастазы из простаты ухитряются преодолевать преграды и добираться до головного мозга?

С этим вопросом Бэтсон разобрался [24], сделав коррозионные препараты позвоночных вен. Оказалось, что это уникальные сосуды с очень тонкими стенками, у которых в принципе нет клапанов! Чисто теоретически ничто не могло помешать метастазам распространяться.

Теперь осталось доказать, что раковые клетки действительно способны путешествовать по позвоночным венам.

Чтобы это выяснить, Бэтсон в нескольких разных экспериментах вводил в вены полового члена сульфид мышьяка или ртути. Оба вещества издавна использовали в живописи: первое – в качестве пигмента под названием «королевский желтый», а второе – в качестве ярко-красного пигмента под названием «киноварь». А поскольку оба красителя хорошо поглощают рентгеновские лучи, флюороскоп позволил Бэтсону проследить путь пигментов по венам от таза до черепа в реальном времени. Гипотезу можно было считать доказанной!

Почему мы не падаем в обморок, когда встаем с кровати?

Раскрытия тайны метастазов Бэтсону было мало. Ему стало очень интересно, зачем эволюции понадобилось создавать настолько сложную венозную систему, связывающую головной мозг и таз? Чтобы снабжать кровью спинной мозг и мышцы спины, можно было бы обойтись куда более простым трубопроводом. Не для того же нужна эта разветвленная система, чтобы раковым клеткам было проще путешествовать?

В 1960 году у Бэтсона появилась идея [25]. Сформулировать гипотезу помогло знание о том, как на организм влияет маневр Вальсальвы. А проверить идею Бэтсону помогла живая макака-резус.

Антонио Вальсальва – анатом XVIII века, который всю жизнь изучал строение человеческого уха. В 1704 году он опубликовал книгу Aure Humana Tractatus, в которой рассказал, что содержимое среднего уха можно вытеснить в наружный ушной канал, если сделать выдох, предварительно закрыв рот и зажав нос. Этот маневр увеличивает давление во внутреннем ухе и помогает выровнять давление внутри уха и во внешней среде.

Сегодня водолазы и пассажиры самолетов прибегают к маневру Вальсальвы, чтобы избавиться от заложенности в ушах, однако это увеличивает давление не только в ухе, но и во всех полостях тела – например, в груди. Уже во времена Бэтсона было известно: при выполнении маневра внутригрудное давление настолько превосходит давление в грудных венах, что те схлопываются и перестают возвращать кровь к сердцу. После завершения маневра кровоток успешно восстанавливается.

Отсюда вопрос: куда во время маневра Вальсальвы девается венозная кровь? Давление внутри грудной и брюшной полостей увеличивается постоянно – не только во время маневра Вальсальвы, но и, например, при чихании, кашле, мочеиспускании, дефекации и даже при родах. Но если кровь в это время никуда не уходит, почему тогда кровеносные сосуды не разрываются из-за избыточного давления?

Бэтсон предположил, что невостребованная кровь переходит в систему позвоночных вен. В конце концов, система компактных разветвленных тонкостенных трубочек – весьма объемный карман, в который можно много чего спрятать. Проверить гипотезу Бэтсону помогла макака-резус. Ученый выбрал именно это животное, а не более привычную крысу или мышь, потому что анатомия наших ближайших родичей очень схожа с человеческой.

Эксперимент Бэтсона вовсе не был жестоким. Он дал обезьянке наркоз, ввел в ее кровь рентгеноконтрастное вещество с йодом – в точности такое же используется для рентгенологических исследований у людей. Потом, чтобы увеличить давление в груди, исследователь спровоцировал у макаки кашлевой рефлекс – ведь кашлять можно, не приходя в сознание. Бэтсон своими глазами наблюдал, как кровь с рентгеноконтрастным веществом устремилась в спинномозговые вены.

Этот эксперимент доказал, что многочисленные кровеносные сосуды, проходящие через тела позвонков, работают как «венозные озера». Именно туда переходит кровь, если в грудной клетке или в брюшной полости повышается давление, а ее перераспределение помогает избежать увеличения давления в кровеносных сосудах.

От этого открытия оставался всего один шаг до раскрытия еще одной тайны – венозного оттока из мозга [26].

Наш внутренний суперкомпьютер – головной мозг – очень активно использует кислород и питательные вещества, поэтому постоянно нуждается в притоке свежей артериальной крови. Отработанную кровь, несущую углекислый газ и отходы жизнедеятельности нервных клеток, из мозга нужно убирать.

Для этого в организме предусмотрены специальные «канализационные трубы» – вены, которые образуют яремную венозную систему, которая, однако, справляется с этой задачей, только когда человек лежит. Стоит ему сесть или встать, как яремные вены схлопываются. Отсюда вопрос: куда девается кровь из черепа, когда мы работаем за компьютером или идем в магазин за хлебом? После того как Бэтсон вслед за Бреше повторно открыл, что позвоночная венозная система соединена с венами, снабжающими кровью головной мозг, оставалось только сформулировать гипотезу и проверить ее.

В 1966 году это сделал американский анестезиолог Джеймс Эккенхофф [27]. В 1970 году группа коллег Эккенхоффа доказала это в эксперименте с участием макаки-резус [28]. В расположенные между листками твердой мозговой оболочки вены спящей обезьянке ввели рентгеноконтрастное вещество. Когда ее подняли в вертикальное положение, венозная кровь из головы устремилась прямиком в позвоночные вены. Это помогло доказать, что, когда тело оказывается в вертикальном положении, позвоночные вены помогают компенсировать ограничения, присущие яремной венозной системе.

Сложим открытия в одну корзину

Сегодня мы знаем, что позвоночник снабжает кровью уникальная бесклапанная венозная система, соединяющая мозг, глаза, спинной мозг и таз. Это превращает ее в важнейший «бассейн», куда организм при необходимости может перелить лишнюю кровь. Это нужно, чтобы защитить сосуды от излишнего давления, а еще помогает нам оставаться прямоходящими млекопитающими, которые могут смотреть в небо, не боясь упасть в обморок.

Как открытие позвоночной венозной системы изменило медицину

Без детальных знаний о строении и расположении позвоночных вен невозможна высокоточная хирургия позвоночника. Многие пациенты, повредившие спину при падении или в автокатастрофе, должны сказать спасибо Жильберу Бреше, Оскару Бэтсону и его обезьянкам за эффективные восстанавливающие операции с низким риском серьезных кровотечений.

Но самое главное, что благодаря этому открытию мы можем отправлять в головной мозг крупные лекарственные молекулы вроде гибридных белков и моноклональных^[4] антител. Добиться того же эффекта, просто дав человеку таблетки, невозможно, потому что от всех подозрительно крупных молекул головной мозг защищает гематоэнцефалический барьер. Так называется фильтр из плотно соединенных между собой клеток, из которых состоят стенки кровеносных сосудов, снабжающих кровью головной мозг.

Знания об устройстве сети позвоночных вен позволили найти способ обмануть гематоэнцефалический барьер. Хирурги сумели разработать метод периспинальной инъекции [29], позволяющий доставлять препараты в мозг не напрямую, а через спинномозговые вены. В результате человечество получило уникальную возможность лечить часть сложных неврологических расстройств – теперь для этого достаточно сделать несколько уколов в спину.

Глава 3
Могут ли нейроны создавать гормоны: 1928–1963

Гипоталамо-гипофизарный комплекс прячется в нижней части головного мозга. Оттуда он «правит» органами и тканями: создает и выделяет гормоны, контролирующие работу тела. Однако всего сто лет назад идея о том, что в мозге могут образовываться гормоны, казалась еретической даже самым дерзким исследователям.

Как головной мозг управляет телом

Головной мозг – командный центр нервной системы [30]. Он получает информацию от органов чувств, обрабатывает ее и превращает в сигналы, при помощи которых заставляет тело отвечать на вызовы окружающей среды. Для управления телом у мозга есть две системым [31]: нервная и эндокринная, то есть гормональная. Обойтись одной только нервной системой не получится, и вот почему.

Нервная система состоит из двух частей. Центральная нервная система – это головной мозг и отходящий от него пучок «проводов», которые собраны в крупный «кабель» – спинной мозг. От основного «кабеля» отделяются отдельные «провода» – нейроны периферической нервной системы, передающие приказы от мозга всем органам и тканям. Они образуют периферическую нервную систему.

О том, какие участки коры головного мозга отвечают за движение, а какие – за чувствительность, говорится в главе 6. А о том, как устроены и работают нейроны, – в главе 8.

Для передачи сигналов нервная система использует электрические сигналы. Они стремительно пробегают по «проводу»-нейрону, быстро достигают цели, но так же быстро и затухают. Чтобы достичь долговременного эффекта, пришлось бы передавать сигналы очень часто, а это сложно и энергетически невыгодно.

В этой ситуации на помощь приходят гормоны – химические вещества, которые распространяются вместе с током крови. В артериях кровь движется со скоростью 4,9–19 см/с [32], а в венах еще медленнее – со скоростью 1,5–1,7 см/с. По сравнению с электрическими импульсами, отдельные из которых достигают цели со скоростью 120 м/с, химический способ передачи информации работает откровенно медленно. Зато когда гормоны добираются до мишени, они могут поддерживать нужный эффект достаточно долго – зачастую до тех пор, пока из мозга не поступит сигнал «отбой».

Но чтобы «химическая почта» заработала, мозгу приходится не только генерировать нервные импульсы, но и самостоятельно создавать гормоны. Для этого у него есть своеобразная фабрика-кухня [33], объединяющая нервную и эндокринную системы – комплекс «гипоталамус – гипофиз». Именно здесь электрические сигналы из других участков мозга преобразуются в гормоны, которые управляют работой тканей-мишеней и регулируют синтез и выделение гормонов из других желез.

Но это сегодня мы знаем, что гипоталамо-гипофизарная система – фабрика гормонов [34]. Еще в начале прошлого века идея о том, что в мозге могут образовываться гормоны, большинству исследователей казалась дикой. И это при том, что первым анатомические структуры под названиями «гипоталамус» и «гипофиз» в своих работах упомянул еще древнеримский врач Гален Пергамский во II веке нашей эры [35].

Что ученые знали о гипоталамо-гипофизарной системе к началу XX века

Первым гипоталамус и гипофиз описал римлянин Гален. Он считал, что комплекс «гипоталамус – гипофиз» образует воронку, которая отводит излишек слизи из третьего желудочка мозга в носоглотку: то есть, по мнению Галена, люди сморкаются жидкостью из мозга. Поскольку вскрывать трупы было строго запрещено, это мнение доминировало в науке больше полутора тысяч лет.

В 1315 году итальянский анатом Мондино Луцци возобновил давно позабытую традицию вскрытия мертвых тел. Впервые за долгие годы он получил возможность увидеть мозг своими глазами. Возможно, именно это натолкнуло его на яркую новаторскую идею. В трактате Anathomia Луцци предположил, что третий желудочек, гипоталамус и гипофиз могут объединять различные функции организма, в том числе психические, эмоциональные и поведенческие реакции.

Как мы сегодня знаем, Луцци был не так уж далек от истины. Однако его идеи не пользовалась популярностью вплоть до конца XVII века. Даже пионер нейроанатомии Томас Уиллис [36], автор трактата о мозге Cerebri Anatome 1664 года, все еще писал, что гипофиз фильтрует выделения из мозга прямиком в нос.

Первую по-настоящему серьезную попытку [37] разобраться с функциями гипоталамуса и гипофиза предпринял немецкий анатом Конрад Шнайдер. В 1655 году он вступил в спор с Галеном, указав, что выделения из носа происходят из слизистой оболочки, а вовсе не из гипофиза. Неопровержимо доказал утверждение Шнайдера Ричард Лоуэр из Оксфорда. Для этого ему пришлось провести своеобразный эксперимент.

Лоуэр проделал отверстие в черепе теленка и ввел в кровеносные сосуды, отходящие от гипофиза, немного молока. Оно обнаружилось в яремных венах, но во рту и в носу не было ни капли. Когда он повторил опыт с чернилами, произошло то же самое. Опыт оказался настолько убедительным, что от галеновских идей, переживших 15 столетий, отказались всего за два десятка лет.

Правда, после этого яркого эксперимента о гипоталамусе и гипофизе снова позабыли: в XVIII веке их никто не изучал. Исследователи XIX века тоже ограничились тем, что уточнили анатомические границы гипоталамуса и гипофиза и описали строение сосудистой сети, снабжающей их кровью.

Первые достоверные изображения гипоталамуса, гипофиза и снабжающих их кровью вен появились в XVI веке – их можно найти в первом настоящем анатомическом атласе De humani corporis fabrica легендарного анатома Андреаса Везалия.

Возможно, что иллюстрациями Везалия вдохновлялся итальянский художник Микеланджело Буонарроти. На эту мысль исследователей творчества Буонарроти натолкнула деталь фрески «Сотворение Адама». Бог, дарующий Адаму способность к духовной жизни, изображен на фоне тени, форма которой напоминает срез головного мозга. Если присмотреться, на этом срезе можно различить силуэты гипоталамуса и гипофиза.

Зачем нужны эти участки мозга и как именно они работают, никто даже не догадывался.

Так могут ли нейроны создавать гормоны?

Ответ на этот вопрос искали многие ученые, и все они внесли в исследования важный вклад. Но ключевую роль сыграли трое исследователей, которым пришлось работать в очень непростое время: сначала в нацистской Германии, а потом – в чужой стране. В наши дни их история читается почти как детектив.

Эрнст Шаррер: загадочные гранулы в нейронах гипоталамуса

В 1927 году молодой исследователь из Мюнхенского университета Эрнст Шаррер (1905–1965) набирал материал для своей докторской диссертации. Рассматривая под световым микроскопом нервные клетки гипоталамуса рыбы (европейского гольяна), молодой человек обратил внимание, что некоторые нейроны отличались от соседних [38]. В цитоплазме необычных нервных клеток можно было различить гранулы, тогда как в других нейронах их не было.

В 1928 году Шаррер опубликовал статью, в которой предположил, что в гранулах необычных нейронов гипоталамуса – он назвал их нервно-эндокринными клетками – на самом деле находятся гормоны. Другими словами, он выдвинул гипотезу о том, что нервные клетки могут выполнять еще и эндокринную функцию. А еще ему принадлежит идея, что нервно-эндокринные клетки могут иметь отношение к секреции гормонов гипофиза.

Сегодня мы знаем, что молодой ученый был прав и в том и в другом. Но для начала XX века это было весьма радикальное предположение. В то время в науке безраздельно царило убеждение, что между нервной и эндокринной функциями не может быть ничего общего. Самые авторитетные ученые были уверены, что нервная функция – чисто электрическое явление [39]. И это логично, ведь о существовании химических нейромедиаторов, при помощи которых нейроны обмениваются информацией, никто пока даже не подозревал.

Тем не менее немецкий «Журнал сравнительной физиологии» статью все-таки напечатал. Но всем, и в первую очередь молодому автору, было ясно, что гипотеза, еще и такая дерзкая, нуждается в серьезной проверке и весомых доказательствах.

Берта и Эрнст Шарреры: похоже, что нейроны все же могут создавать гормоны

Эрнст Шаррер работал над диссертацией в лаборатории будущего нобелевского лауреата Карла фон Фриша, который специализировался на биологии поведения пчел. Там же работала над докторской диссертацией талантливая девушка Берта Фогель (1906–1995). Молодые люди очень сблизились и полюбили друг друга.

Если бы речь шла о современном университете, в такой истории любви не было бы ничего удивительного. Но в 1920-е годы немецким девушкам было очень сложно пробиться в престижное высшее учебное заведение, а о серьезной карьере ученого они, как правило, даже не помышляли. Но Берта обожала биологию, отличалась недюжинной силой воли, твердо хотела стать ученой-биологом – и у нее получилось. Сначала она окончила Мюнхенский университет, а затем защитила диссертацию и в 1930 году получила докторскую степень.

После нескольких лет скитаний и неоплачиваемых стажировок в немецких исследовательских центрах Эрнста Шаррера назначили директором Института исследований мозга при Франкфуртском университете. Молодые исследователи решили пожениться. До самой смерти Эрнста, который утонул в 1965 году, они были дружной командой – как в исследованиях, так и в личной жизни. Берта поступила в тот же самый институт, где работал ее муж, но из-за строгих требований к семейственности не получила ученого звания и работала бесплатно.

До 1934 года молодые ученые занимались всем подряд: Берта, например, некоторое время изучала болезнетворных бактерий, вызывающих инфекции мозга у птиц и земноводных, а Эрнст получал дополнительную степень в области медицины. Но, устроившись в Институт исследований мозга, они решили вернуться к исследованиям нейросекреции, которые начали еще под руководством фон Фриша, и наконец-то проверить гипотезу, которую Эрнст сформулировал еще в студенчестве.

Они решили разделить работу: Берта взяла на себя исследования нейронов насекомых, а Эрнст – позвоночных животных, преимущественно рыб. Это решение оказалось очень удачным: в будущем исследования на столь различных животных помогут доказать универсальность нейросекреции. Примерно в то же время Шарреры познакомились с молодым анатомом Вольфгангом Баргманном (1906–1978), который тоже проникся их идеями. Через 20 лет этот человек сыграет в истории нейросекреции важную роль.

Тем временем политическая обстановка в Германии постепенно становилась невыносимой. Руководство давило на Шарреров, чтобы те вступили в нацистскую партию, а это означало поддержку идей расового превосходства, отказ от общения с коллегами-евреями и одобрение других неприемлемых в академическом сообществе вещей. Поэтому когда в 1937 году Эрнст получил годичную стипендию Рокфеллера, семья увидела шанс сбежать из страны. Они убедили университетское начальство, что обязательно вернутся через год, но вместо этого начали обустраиваться на новом месте, в США.

За время жизни в Америке супругам удалось доказать, что нейросекреторные клетки – не артефакт, возникший из-за неправильной подготовки препарата, а реально существующие клетки, которые есть и у тараканов (их изучала Берта), и у рыб и многих других животных – этими исследованиями занимался Эрнст. Однако теория нейросекреции все еще казалась не совсем убедительной. Она была основана только на цитологических доказательствах, то есть на гранулах внутри тел клеток, которые исследователи увидели под микроскопом. Доказать, что в гранулах находятся именно гормоны, а не что-то еще, у Шарреров не получалось.

Все упиралось в невозможность подтвердить теорию на практике. В классических экспериментах принято удалять эндокринную железу, фиксировать изменения в организме, а потом восполнять дефицит веществ, которые производила удаленная железа. Если состояние организма вернулось в норму – значит, вещества, выделяемые железой, действительно можно считать гормонами. К сожалению, хирургическая техника тех времен не позволяла провести подобные манипуляции на мозге. Кроме того, супруги не знали, какие именно гормоны синтезируют нервные клетки, и не понимали, как эти гормоны извлечь и очистить.

Вольфганг Баргманн: если нейроэндокринные клетки действительно существуют, значит, их можно покрасить

Убедительные доказательства нейросекреции добыл Вольфганг Баргманн – крупный ученый и неоднозначный человек. Он не сумел, а может, не захотел покинуть Германию до начала войны, и это наложило отпечаток на всю его работу.

В 1942 году Баргманн стал доцентом в Кёнигсбергском университете. Как и другие остальные действующие ученые Германии, он вступил в нацистскую партию; существуют доказательства, что для гистологических исследований Баргманн использовал ткани, полученные в том числе и от казненных людей [40]. Как он сам к этому относился, неизвестно, потому что воспоминаний анатом не оставил. В январе 1945 года, незадолго до того как советские войска заняли Кёнигсберг, Баргманн перебрался к семье в Баварию. Потом он уехал в Киль, а в 1948 году вернулся к научной работе.

В Киле он вспомнил о работах Шарреров, посвященных нейросекреторным гранулам нейронов. Но поскольку Баргманн был не биологом, а анатомом, он мыслил немного иначе и рассуждал так: если нейроны действительно способны синтезировать гормоны, значит, их можно окрасить при помощи красителей, которые прокрашивают все остальные эндокринные клетки.

Анатом решил попробовать окрасить нервные клетки по методике 1939 года, разработанной американским гистохимиком Дьёрдем Гёмёри для выявления клеток поджелудочной железы. Такой способ окраски подразумевает использование трех красителей. Сначала срез ткани, которую нужно окрасить – в случае Баргманна это был участок мозга, – окисляют смесью 0,3 %-ных растворов марганцовки и серной кислоты, а потом наносят на него хромгематоксилин. Это вещество, реагируя с образцом ткани и кислым раствором, прокрашивает участки клеток, которые содержат гормоны, в темно-синий цвет. Чтобы окраска была контрастной, препарат докрашивают еще одним красителем – красным флоксином.

К изумлению Баргманна, окраска среза мозга по Гёмёри выявила отчетливые темно-синие секреторные гранулы в телах нейронов. В 1949 году он опубликовал статью об этом в немецком журнале, а в 1950 году получил грант от Фонда Рокфеллера и уехал в США. Там он встретился с доктором Гёмёри, который очень удивился тому, что его окраска способна сделать с мозгом. Также Баргманн возобновил знакомство с Шаррерами. Вместе они наконец-то придумали эксперимент, который доказал существование нейросекреции.

В первом эксперименте они подготовили свежий препарат мозга, разрезали аксоны нейросекретирующих нейронов, подождали некоторые время, покрасили их по Гёмёри и исследовали под микроскопом. Вместо того чтобы накапливаться в заднем гипофизе, нейросекреторные гранулы собрались на конце обрезанного нейрона. Это продемонстрировало, что гранулы – не ошибка окрашивания, а значимые структуры, способные целенаправленно перемещаться по нейронам гипофиза.

Второй эксперимент был сложнее и тоньше. К тому времени уже было известно [41], что антидиуретический гормон способствует сохранению жидкости в организме. Исследователи полагали – как покажет практика, совершенно справедливо, – что этот гормон накапливается в задней доле гипофиза. Как только организм испытывает жажду, гормон должен выделяться в кровь.

Когда ученые брали обычный препарат мозга животного, окрашивание по Гёмёри выявляло гранулы в нейронах в задней доле гипофиза, а когда окрашивали мозг животного с обезвоживанием, они исчезали. Если в ответ на жажду в нейронах исчезают гранулы, значит, содержимое этих гранул уходит в кровь. Получается, что в гранулах действительно содержится антидиуретический гормон, который возникает прямо в мозге!

Сложим открытия в одну корзину

Тот факт, что нейроны гипоталамо-гипофизарной системы могут создавать гормоны, лежит в основе всей современной эндокринологии. В итоге меньше чем за 50 лет, прошедших с момента этого открытия, человечество узнало о нейроэндокринной системе больше, чем за все время существования науки анатомии.

В наши дни уже хорошо известно, что гипоталамус – уникальная структура головного мозга, выполняющая одновременно нервную и эндокринную функции. Нейроны, из которых состоит гипоталамус, способны одновременно передавать электрические сигналы и создавать гормоны.

Уже после смерти мужа Берта Шаррер доказала, что нейросекреторные клетки гипоталамуса устроены так же, как и любые другие нейроны. У них есть тело с отростками-дендритами, которые собирают информацию от соседних нервных клеток, и длинный «хвост» – аксон. Гранулы с гормонами образуются в телах нейронов гипоталамуса, перемещаются в аксон и, как по шлангу, поступают в заднюю долю гипофиза. Получается, что задняя доля гипофиза – продолжение гипоталамуса.

Здесь накапливается тот самый антидиуретический гормон, который препятствует обезвоживанию и управляет работой почек. А еще там копится знаменитый гормон привязанности – окситоцин. Собственных гормонов задняя доля гипофиза не производит. Она только накапливает их, как на складе, и выпускает в кровеносную систему, когда из гипоталамуса приходит приказ, что пора это делать.

Передняя доля гипофиза состоит из эндокринной ткани. Именно здесь образуются гормон роста, тиреотропный гормон, который управляет щитовидной железой, и многие другие важные гормоны. Их высвобождением тоже управляет гипоталамус.

Эндокринная ткань гипофиза развивается из тех же самых клеток, из которых формируется пищеварительный тракт зародыша: в процессе развития ребенка эти клетки уходят из кишечника и перебираются в мозг. В двенадцатиперстной кишке тоже вырабатываются гормоны, они называются энтеринами. Так что у кишечника и мозга довольно много общего.

В 1970-х годах стало известно [42], что гипоталамус и гипофиз связывают не только аксоны нервных клеток, но и сложная сеть кровеносных сосудов. По этой сети небольшое количество гормонов гипоталамуса попадает непосредственно к клеткам-мишеням в передней доле гипофиза, не растворяясь в большом круге кровообращения. Загадка о том, как мозг управляет телом и самим собой, наконец была решена.

Как открытие нейросекреции изменило науку и медицину

Без теории нейросекреции никогда не появилась бы современная эндокринология, а значит, миллионы пациентов с эндокринологическими заболеваниями не получили бы помощь. Однако быть благодарными за это открытие должны не только врачи, но и эволюционные биологи. Причем последние должны сказать спасибо лично Берте Шаррер.

В 1980-е годы, спустя несколько лет после смерти мужа, Берта Шаррер сформулировала всеобъемлющую теорию эволюционного происхождения нейросекреторных клеток. Она доказала, что секреторные нейроны были первоначальным, базовым средством внутриклеточной коммуникации, которое присутствовало даже у примитивных организмов. Именно эти нейроны послужили эволюционной базой для развития специализированной и сложной нейроэндокринной системы.

Женщина, которая лишь через 20 лет после начала карьеры получила официальное признание (и такую же зарплату, как и коллеги-мужчины), на закате жизни доказала, что нервные клетки – вовсе не поздний продукт эволюции, как было принято считать, а наши древние эволюционные спутники. Создать новое направление медицины и добиться пересмотра одной из важнейших биологических концепций удается далеко не каждому.

Глава 4
На какое дерево похожи легкие: 1889–1939

Легкие – самый первый сегментарный орган, в строении которого разобрались исследователи. Если бы не было этого открытия, кто знает, когда ученые и врачи поняли бы, как устроены другие сегментарные органы. Неизвестно, сколько людей успели бы погибнуть до появления операций, которые позволяют удалить небольшой участок затронутого болезнью органа, сохранив все его здоровые части.

Что такое легкие и как они работают

Все начинается в носу [43]. В этой выстланной слизистой оболочкой двухкамерной пещере воздух нагревается и увлажняется – это нужно, чтобы не повредить нежным легким. Там же воздух проходит первичную санитарную обработку. Слизь и волоски в носу задерживают пыль, грязь и микробы, не пропуская их в легкие.

Затем влажный и нагретый воздух проходит в носоглотку и минует гортань. Хрящевой каркас гортани защищает голосовые связки и направляет воздух в трахею, которую еще называют дыхательным горлом.

Трахея – хрящевая трубка длиной 10–12 см, стенки которой усилены кольцами из плотного хряща. Благодаря этому трахея может сплющиваться, давая возможность человеку глотать крупные куски пищи, но остается достаточно жесткой, чтобы не схлопываться из-за перепадов давления, неизбежных во время дыхания. А еще она выстлана изнутри слизистой с ресничками, которые выталкивают в носоглотку слизь с налипшими частицами мелкой пыли, проскочившей ворота в носу.

Если сравнить легкие с деревом, главным его стволом будет трахея. Примерно на уровне пятого грудного позвонка этот ствол разветвляется на две мощные ветви – правый и левый бронх. Правый бронх дает начало правому легкому, а левый – левому.

То, что легкие необходимы для дыхания и жизни, ученые понимали еще во времена римского врача Галена [44]. Но с деталями их строения, без которых невозможно проводить точные хирургические операции, ученые смогли познакомиться только на рубеже XIX–XX веков.

Что ученые знали об устройстве легких к концу XIX века

Вслед за древнегреческими учеными врачи эпох Средневековья и Возрождения считали, что легкие каким-то образом поддерживают жизнь. Но поскольку о существовании кислорода, как, впрочем, и других газов, из которых состоит воздух, они не знали, полагали, что этот орган обеспечивает связь с пневмой – невидимой жизненной силой.

Считается, что одним из первых на то, что бронхи легких ветвятся дихотомически – то есть напоминают рогатку, – обратил внимание знаменитый художник и по совместительству увлеченный анатом Леонардо да Винчи. При дихотомичеком ветвлении от главного ствола отходят две большие ветви, которые разделяются на несколько маленьких – и так происходит снова и снова.

Образ пневмы закрепился за легкими, а само слово вошло в медицинскую практику: например, проблема, при которой воздух проникает под оболочку поврежденного легкого, до сих пор называется пневмотораксом.

Современник Леонардо, врач Алессандро Бенедетти, в этом вопросе был солидарен со знаменитым живописцем. По поводу же функций легких Бенедетти соглашался скорее с древнегреческими предшественниками. В 1495 году он писал, что «легкие превращают дыхание в пищу для жизненного духа». Правда, он же думал, что легкие своим прохладным дыханием остужают гнев, то есть отводил им роль контролера эмоций.

В XVI–XVII веках строение легких описали довольно подробно. Например, голландский натуралист Ян Сваммердам консервировал этот орган при помощи воска, чтобы сохранить его тонкую структуру, и тщательно препарировал [45].

В 1685 году его соотечественник, анатом Готфрид Бидлоо [46], вводил в легкие расплавленный металл: скорее всего, это была смесь висмута и ртути. Удалив лишнюю ткань, он получал довольно точный слепок [47] трахеи и бронхов.

Однако вопросом, как именно и почему ветвятся бронхи и зачем вообще нужно такое ветвление, вплоть до рубежа XIX и XX веков никто не задавался.

Елка или рогатка: как устроено бронхиальное дерево

Ответ на этот вопрос на рубеже прошлого века отыскал Уильям Юарт (1848–1929). Перед этим ему предстояло опровергнуть предположение другого яркого исследователя, Кристофа Эби. К сожалению, это открытие появилось слишком рано и оказалось забыто.

Установить истину удалось силами множества ученых, и случилось это только в XX веке.

Кристоф Эби: легкое ветвится, как ель

Кристоф Теодор Эби родился в 1835 году в семье швейцарского фермера [48]. Но сельская жизнь интересовала его меньше, чем медицина, поэтому он отправился в немецкий город Базель, чтобы выучиться на врача. Сын фермера оказался способным: уже в 28 лет Эби стал профессором анатомии в Бернском университете.

Первое, что он сделал в качестве профессора, – обратился к руководству с просьбой приобрести пять микроскопов. Передовой подход принес свои плоды: вскоре о медицинском факультете Берна заговорили во всем мире. Преподавателем он тоже оказался отличным: в 1909 году ученик Эби, хирург Теодор Кохер^[5], получил Нобелевскую премию.

Самого же профессора Эби больше всего интересовала сравнительная анатомия. Например, он детально описал и сопоставил множество человеческих черепов и суставов – они до сих пор хранятся на медицинском факультете в Берне – и написал об этом книгу [49]. Но одним из самых известных исследований, которые Эби провел в Берне, было исследование бронхиального дерева. По его итогам он написал книгу «Бронхиальное дерево млекопитающих и человека с замечаниями о бронхиальном дереве птиц и рептилий», опубликованную в 1880 году.

К бронхиальному дереву Эби применил те же методы исследования, которые использовал в изучении скелетов. Это было кое-что новое: до Эби никто не пытался сравнивать легкие множества разных людей, чтобы отыскать общие черты и различия. Как и в случае скелетов, для своих исследований Эби сделал множество восковых и металлических слепков легких умерших людей и животных и старательно их зарисовал. Чтобы подготовить препараты, он вводил легкоплавкий металл прямо в грудину, рассчитывая, что это поможет избежать искажения формы легких.

Но самое интересное, что в случае легких сравнительный подход профессора подвел. Самый важный вопрос, который интересовал Эби, – как именно ветвятся легкие. Изучив и сравнив слепки этого органа у животных и людей, он сделал вывод, что легкие ветвятся моноподиально. Примерно так изображают деревья дети: рисуют главный ствол, от которого во все стороны отходят ветки.

У многих животных легкие действительно устроены именно так. Но Эби так хотел найти общий принцип в строении этого органа, что попросту проигнорировал тот факт, что у людей этот орган ветвится иначе. Поэтому в своей книге Эби обрушился с критикой на идею Леонардо о дихотомическом строении легких.

Его коллега, основоположник эмбриологии Альберт Кёлликер, справедливо заметил, что трубки бронхиального дерева неизменно делятся на две ветки и у эмбрионов, и у взрослых людей. Но Эби слишком верил в свой подход, поэтому не прислушался и работу исправлять не стал.

Авторитет профессора был столь велик, что его заблуждение закрепилось в атласах и учебниках на долгих 50 лет. Так что отцом сегментарной анатомии мы назвать его все-таки не можем.

Уильям Юарт: легкое ветвится как рогатка

Титул отца сегментарной анатомии по праву достается Уильяму Юарту, патологу из больницы Бромптон в Лондоне [50, 51]. Юарт родился в Лондоне, но мать его была француженкой. Поэтому образование он тоже получил частично в Британии, а частично – во Франции, в Парижском университете. В 1870 году его обучение было прервано Франко-прусской войной – в то время молодой доктор служил во французской армии.

После окончания войны Юарт вернулся на родину, получил степень бакалавра в Кембриджском университете и поступил на работу в Медицинскую школу Святого Георгия. Но опыт, полученный во время войны, не давал доктору покоя.

В 1889 году в своей работе «Бронхи и легочные кровеносные сосуды» Юарт напишет: «У меня возникло подозрение, что нынешние недостатки наших анатомических знаний способствовали медленному прогрессу в легочной хирургии, что контрастирует с устойчивым прогрессом, достигнутым в хирургии других органов» [52].

У Юарта были все основания считать, что знаний не хватает. Он прекрасно знал: хирургические операции на легких так часто приводили к смерти солдат, что прусские хирурги просто отказывались их делать. Но дело было не только в недостатке знаний. В своей книге Юарт намекал в том числе и на работу Эби, посвященную легким. Он был с ней прекрасно знаком и категорически не согласен почти по всем вопросам [53].

Для начала Юарт обратил внимание на то, что строение грудной клетки людей и животных вряд ли можно сравнивать. Животные перемещаются на четырех ногах, поэтому их грудная клетка глубокая, вытянутая, а сердце расположено по центру. Люди же ходят на двух ногах и их грудная клетка неглубокая и широкая, а сердце расположено слева. Если учесть, что легким надо как-то вмещаться в той груди, которая досталась им в ходе эволюции, странно ожидать, что в итоге эти органы у представителей разных видов окажутся одинаковой формы.

Но одно дело утверждать, а другое – доказать. Чтобы подтвердить свою точку зрения, Юарт сделал множество слепков с легких, заливая в них легкоплавкий металл, но, в отличие от Эби, предварительно извлекал легкие из грудины. Он считал, что метод, которым пользовался Эби – инъекции металла в грудную клетку, – сыграли с исследователем злую шутку, потому что в итоге грудина давила на отяжелевший препарат, и его форма нарушалась.

В итоге Юарт сделал препараты фантастического качества. В отличие от анатомов прошлого, ему удалось проследить ветвление бронхов до шестого порядка, то есть почти до мельчайших бронхиол. Эта работа вполне ясно показала [54], что легкие ветвятся дихотомически – да Винчи был прав, а Эби ошибался.

Кроме того, доктор пришел к выводу, что легкое человека состоит из относительно небольшого числа отдельных анатомических единиц. Причем в каждом легком можно выделить большие группы долек, практически изолированных друг от друга с точки зрения притока воздуха.

К сожалению, работа Юарта оказалась слишком большой и сложной и поэтому еще почти 50 лет пылилась на библиотечных полках. И только в 1932 году, через три года после смерти Юарта, исследователи Крамер и Гласс, обнаружив его труд, заново открыли для себя концепцию структуры легких человека, предложенную Юартом. Именно эта пара исследователей предложила называть обнаруженные Юартом группы изолированных друг от друга дыхательных долек бронхолегочными сегментами.

Сложим открытия в одну корзину

Легкие – парный орган, немного похожий на бабочку. Сегодня мы знаем [55], что правое легкое чуть больше левого и состоит из трех долей, а левое – из двух. Бронхи, дающие начало легким, продолжают ветвиться. Ветка бронха, снабженная ветвью легочной артерии, образует бронхолегочный сегмент, описанный Юартом.

Но на этом деление бронхов не заканчивается. Они продолжают ветвиться до тех пор, пока не станут совсем крохотными. Самые маленькие бронхиолы диаметром всего полмиллиметра.

Полумиллиметровые бронхиолы заканчиваются воздушными мешочками-альвеолами, оплетенными мелкими кровеносными сосудами-капиллярами. Все вместе это напоминает гроздья винограда. Альвеолы – конечная остановка для воздуха, который мы вдохнули. Кислород проходит через тонкие мембраны альвеол и попадает в кровоток. Там красные кровяные тельца связывают его, а в ответ выделяют углекислый газ – через тонкие стенки альвеол он возвращается в легкие и покидает их вместе с выдохом. На этом дыхательный цикл завершается до следующего вдоха.

Как открытие дыхательных единиц легких изменило медицину

В 1939 году концепцию Юарта впервые применили в реальной операции: благодаря наработкам англо-французского патолога удалось удалить участок легкого, не повредив здоровую легочную ткань. Мечта доктора сбылась: прогресс в легочной хирургии наконец-то был достигнут.

Так что в наши дни к Уильяму Юарту наконец пришла заслуженная слава. Среди ученых всего мира он пользуется огромным уважением, поскольку положил начало эре эффективных операций на легких. Но и это еще не все. В следующей главе мы увидим, как идеи Юарта о том, что органы в принципе могут быть сегментарными, помогли обнаружить и другие органы схожего строения – например, печень.

Глава 5
Как на самом деле устроена печень: 1939–1957

«Внешность обманчива» – это наблюдение как нельзя лучше характеризует печень. Главный фильтр организма, без которого мы просто не выжили бы, выглядит непритязательно, но на самом деле этот орган – второй по сложности после мозга [56]. Тайна строения печени была открыта только в середине XX века. Это открытие сложно переоценить, ведь в итоге хирурги получили возможность проводить пересадку печени. Невозможно подсчитать, сколько жизней спасла эта процедура: в одном только 2018 году эту операцию провели более 35 тысяч раз [57].

Что такое печень и как она работает

Печень – треугольный орган весом примерно полтора килограмма [58]. Она прячется в правой верхней части брюшной полости, которую принято называть правым подреберьем. Каждую минуту через печень проходит полтора литра крови – это 25 % всей крови, которую сердце успевает выбросить за это время.

Внешне печень напоминает треугольник, составленный из двух частей: правая доля покрупнее, а левая – поменьше. Правую и левую долю объединяет прослойка из соединительной ткани – серповидная связка печени. При помощи этой связки печень прикрепляется к брюшной стенке [59].

На первый взгляд, ничего сложного в печени нет. Но тогда возникает вопрос – как при таком простом строении печень ухитряется справляться со всеми задачами, которые ей доверил организм?

Печень хранит витамины А, D и В12, железо, медь и запасает в сложном полимерном сахаре гликогене половину всей глюкозы, которую мы поглощаем с пищей. Она создает из кирпичиков-аминокислот множество важных белков – например, те, что отвечают за остановку кровотечений и иммунный ответ – и участвует в обмене жиров. А еще печень поглощает из крови, обезвреживает и перерабатывает все отжившее и опасное – от гемоглобина из старых эритроцитов до лекарств, алкоголя и бактериальных ядов. Все это она потом выводит вместе с желчью – желтой или коричневой едкой субстанцией, которая помогает переваривать пищу.

Долгие годы это оставалось загадкой, разрешить которую смогли только в XX веке.

Что ученые знали об устройстве печени к началу XX века

Анатомы XVII века представляли себе строение печени, ориентируясь на ее анатомию, но без учета физиологии. То есть, глядя на лежащую перед ними печень, ученые честно описывали то, что видели, но не пытались понять, как же она на самом деле работает. Зато уж то, что видели, исследователи описывали тщательно. Например, английский анатом Фрэнсис Глиссон [60] в своем трактате 1665 года издания так подробно описал рыхлый слой соединительной ткани, покрывающий печень, что в его честь эту оболочку назвали капсулой Глиссона.

По другой версии, за два года до Глиссона капсулу печени описал нидерландский врач Иоганнес Валеус. Это вполне возможно: Валеус прославился тем, что разработал одну из первых теорий кровообращения [61]. Вскоре мы увидим, что кровеносные сосуды играют в работе печени ключевую роль.

Следующий прорыв случился только через 200 с лишним лет. В 1887 году шотландский хирург Джеймс Кантли проводил вскрытие пациента, скончавшегося в больнице. Он обратил внимание, что правая часть печени покойного атрофирована – сильно уменьшилась в размерах, а левая, наоборот, гипертрофирована – разбухла. Кантли отметил, что на атрофированной стороне печени кровеносные сосуды сузились и заросли, на гипертрофированной же с ними все было в порядке. Что интересно, печень делилась на атрофированную и гипертрофированную части не по естественной границе, то есть не по серповидной связке печени.

Через десять лет Кантли опубликовал революционную статью. В ней он предложил воображаемую линию, которая должна разделить печень на правую и левую части, не ориентируясь на серповидную связку. То есть шотландский хирург чуть ли не впервые в истории предложил описывать печень, обращая внимание не на то, как она выглядит, а на то, как работает.

Некоторые хирурги, прочитав статью Кантли, решили, что имеет смысл учитывать новую информацию в работе. Вскоре выяснилось, что если удалить половину больной печени по воображаемой линии Кантли, оставив пациенту здоровую половину, шансы выжить у человека резко возрастают. Так что новый способ деления печени быстро прижился.

В наши дни воображаемая линия, которая делит печень на правую и левую части, называется линией Рекса – Кантли – в честь чешского ученого Хьюго Рекса. В 1888 году чешский исследователь предположил, что на правую и левую части печень делит главный кровеносный сосуд – воротная вена. Ее можно сравнить со стволом дерева, а притоки – с ветвями: некоторые уходят в левую, а некоторые – в правую части печени. А поскольку притоки фактически не зависят друг от друга, части печени тоже получаются вполне автономными.

Однако следующего важного открытия, которое позволило разгадать тайну печени, пришлось дожидаться еще 50 лет. Случилось оно уже в XX веке.

Что таится под покровами печени?

Как и полагается в случае сложного научного вопроса, найти ответ на него было бы невозможно, если бы не вклад многих исследователей [63]. Однако основу понимания печени заложил француз Клод Морис Куино – человек, посвятивший этому органу всю свою жизнь.

Клод Куино: как устроены сегменты печени

Молодой французский хирург Клод Куино окончил медицинский факультет Парижского университета в 1952 году. Анатомия интересовала его всегда. Ничего удивительного в этом нет: он собирался стать хирургом, а без детального знания строения организма врач этой специальности не сможет проводить точные и безопасные операции.

Но если однокурсники Куино ограничивались изучением уже существующих атласов и учебников, ему этого было мало. Он не просто хотел знать больше, а стремился сделать уже существующие операции более безопасными и эффективными. В итоге молодой доктор стал совмещать хирургическую практику и исследовательскую работу.

Первым предметом интереса Куино были легкие. Чтобы изучить их анатомию, он еще во время учебы специально уехал на три месяца стажироваться в Англию, но прославил его другой орган – печень. Подключиться к ее изучению ему предложил наставник, парижский профессор анатомии Андре Луи Огюст Жан Дельмас [64].

В то время профессор Дельмас возглавлял кафедру сравнительной анатомии в Парижском университете и курировал музей анатомии, которому уделял очень много времени и внимания. Под руководством Дельмаса сотрудники музея каталогизировали почти 6000 старинных экспонатов, а еще он внимательно следил, чтобы выставка пополнялась новыми образцами. К этому делу профессор охотно привлекал учеников, в том числе Куино. В итоге молодой доктор получил прекрасную возможность изучить анатомию на практике и научился искусно фиксировать образцы – все это и сыграет ключевую роль в его открытии.

Однажды профессор Дельмас попросил ученика изучить анастомозы – места, в которых соединяются кровеносные сосуды между правой и левой печеночными артериями. Профессор предупредил Куино, что дело это нелегкое: если просто вскрыть печень, сосуды повреждаются. Нужно было сделать инъекционные слепки – заполнить сосуды раствором и подождать, пока тот застынет. После этого достаточно очистить слепок сосудов от окружающих тканей, и он будет готов.

Куино подошел к делу творчески. Вещество для фиксации, которое тогда использовали на кафедре, ему не слишком нравилось – оно не выявляло самые тонкие детали строения сосудов. Поэтому он решил усовершенствовать технику: вместо классического раствора Куино наполнил сосуды жидким полимером поливинилацеталем и оставил затвердевать на 12 часов.

Потом он растворил окружающие ткани в разбавленном растворе соляной и азотной кислот и в итоге получил идеальный препарат.

Техника пластификации, которую использовал Куино, оказалась очень удачной [65]. Авторы препаратов для выставок и музеев и в наши дни применяют полимеры, в том числе поливинилацеталь.

Дельмас был доволен: анастомозы между правой и левой печеночными артериями получились превосходно. Однако Куино заметил то, что профессор оставил без внимания. На его прекрасном препарате были четко видны регулярно повторяющиеся сегменты, причем рисунок был постоянным и в правой, и в левой частях печени. Не исключено, что подметить эту особенность ему помогло изучение легких в Англии. Все потому, что Куино уже был знаком с концепцией таких сегментированных органов, как легкие, так что глаз у него был уже наметан.

Это случайное наблюдение положило начало работе всей жизни Куино. В 1952 году он окончил работу на кафедре анатомии и поступил на стажировку под начало хирурга Анри Мондора, но заниматься печенью не бросил. По утрам он оперировал, а в свободное время продолжал делать слепки печени. За шесть лет работы Куино собрал внушительную коллекцию более чем из 100 штук. Он фиксировал распределение желчных протоков, печеночных артерий и воротных вен в печени, а потом переносил наблюдения на бумагу, составляя подробные диаграммы для каждого образца.

Все это легло в основу научной работы Куино. В ранних трудах он описал распределение артерий, вен и желчных протоков в мягких тканях печени, причем сделал это первым в мире. Но это было только начало. Куино обратил внимание, что на слепках артерий и желчных протоков сегментарность печени не прослеживалась, зато она прекрасно считывалась на слепках кровеносных сосудов, отходящих от воротной вены. В более поздних работах он отталкивался именно от этого наблюдения: Куино не только подробно описал сегментарную анатомию печени, но и попытался объяснить, почему же у нее именно такое строение.

Концепция Куино опиралась на наблюдения Джеймса Кантли и Хьюго Рекса, но в основе деления на сегменты лежал принцип, который он подметил еще в лаборатории Дельмаса. По Куино, снабжающая печень кровью воротная вена похожа на дерево с широким стволом, от которого разбегаются более тонкие ветви. Каждая такая ветка – тонкий сосуд, снабжающий свой участок печени.

Если что-нибудь, например кровяной сгусток, перекрывает этот сосуд, лишенный кислорода и питательных веществ участок печени отмирает, а соседние, не имеющие проблем с кровоснабжением, остаются живыми и здоровыми.

Участки печени, которые снабжают кровью ветви воротной вены, Куино предложил назвать сегментами. Всего он выделил восемь сегментов печени, которые пронумеровал римскими цифрами по часовой стрелке – от I до VIII.

Некоторые французские студенты запоминают порядок сегментов, ориентируясь на административные районы Парижа [67]: если взглянуть на город сверху, они расположены в том же порядке. Конечно, Куино ничего подобного в виду не имел, но будущим парижским хирургам так удобнее.

В наши дни сегменты печени уже обозначают не римскими, а арабскими цифрами. Со времен Куино концепция сегментарного деления печени была дополнена и доработана, однако ключевая идея – деление печени на восемь сегментов – осталась неизменной.

Сложим открытия в одну корзину

Как и любой другой орган, печень снабжают кровью артерии и вены. Но есть и отличие. Печень – единственный орган, который получает 70 % кислорода и питательных веществ не из артерий, а из вен [68]. Главная печеночная «река жизни» – воротная вена. И, как совершенно верно заметил Куино, именно от ветвления этой главной венозной магистрали зависит строение сегментов печени.

Современные ученые и врачи очень хорошо представляют, как устроены сегменты Куино [69]. Почти каждый сегмент можно представить в виде треугольника с вершиной, направленной к воротной вене печени. В состав этого треугольника входит одна сегментная ветвь воротной вены, к которой прижимаются одна ветвь печеночной артерии и один желчный проток – все вместе называется портальной триадой.

При этом каждый сегмент делится на еще более мелкие участки – ацинусы. Почти как в Древнем Египте, вся жизнь печеночных клеток в ацинусе сосредоточена вокруг «реки Нил» – ветви воротной вены. При этом потоки крови и желчи идут в разных направлениях: кровь по вене и артерии бежит в одну сторону, а желчь по желчным протокам – в другую. В результате вены и артерии несут необходимые вещества и кислород дальше в печень, а в желчные протоки сливается весь мусор, который потом попадает в желчный пузырь.

Вокруг «Нила» образуется три зоны, которые отличаются по степени богатства кислородом и питательными веществами [70]. Зона I ближе всего к вене и артерии, поэтому богаче: там живут клетки, отвечающие за обмен глюкозы и образование желчных кислот. Зона II промежуточная, в ней располагаются клетки, выполняющие важные, но не ключевые функции. В зоне III кислорода меньше всего, поэтому клетки, расположенные там, выполняют самую грязную работу – расщепляют жиры, создают запасы глюкозы и обезвреживают яды.

Все это позволяет объяснить, как печень выполняет столько разных функций одновременно. Все дело в естественной специализации ее клеток, которым в зависимости от степени снабжения кислородом удобнее выполнять разные функции!

Как открытие структуры печени изменило медицину

Работы Куино для гепатологии почти так же важны, как открытия Колумба – для географии. Французский анатом описал «рыхлое клеточное пространство» между печенью и нижней полой веной и тот факт, что центральная область полой вены между ними обычно не имеет сосудов [71]. Эти анатомические знания оказались полезными для новых хирургических операций на печени – например, маневр «подвешивания печени» по Бельгети [72], который помогает избежать вращения печени во время хирургической операции на этом органе – и крупных лапароскопических процедур. Отдавая дань уважения исследователю, многие хирурги до сих пор называют эту область пространством Куино.

Благодаря открытиям Куино стала возможна контролируемая гепатэктомия – удаление конкретного сегмента печени без повреждения остальных. Чтобы печень оставалась жизнеспособной, в наши дни разрезы делают вдоль печеночных и воротных вен – в плоскостях, определяющих границы этих сегментов. В итоге соседние сегменты не страдают, и человек переносит операцию лучше.

Но самое важное, что без работ Куино никогда не появилась бы частичная или полная трансплантация печени. Люди, которые благодаря этой процедуре пережили второе рождение, должны сказать за это спасибо французскому анатому и его коллегам.

Глава 6
Карта острова сокровищ: 1910–2020

Головной мозг – умопомрачительно сложная конструкция, которая включает 84,6 миллиарда вспомогательных глиальных клеток, 86 миллиардов нейронов [73] и примерно 1015 синапсов [74], соединяющих нейроны друг с другом. Все это нейронное богатство объединено в сложные сети – до их полного описания далеко даже исследователям наших дней, у которых есть современная техника вроде аппарата для функциональной магнитно-резонансной томографии.

Тем больше впечатляют достижения исследователей, которые смогли разобраться, какой участок коры головного мозга за какие функции отвечает, и сумели нанести их на карту.

Как устроен мозг

Головной мозг – пронизанный кровеносными сосудами складчатый орган весом чуть меньше полутора килограммов. Любопытно, что командный центр нервной системы [75], управляющий человеческим телом при помощи электрических и гормональных сигналов, на 60 % состоит из жиров [76]. Остальные 40 % приходятся на воду, белок, углеводы и неорганические соединения. Как ни удивительно, если бы не жиры, способность воспринимать мир и строить долговременные планы оказалась бы под угрозой.

Внутренняя часть мозга состоит из белого вещества. Его образуют длинные отростки нервных клеток – аксоны. Для их бесперебойной работы и нужен весь этот жир: поверхность аксона покрыта миелином – жироподобным веществом. Миелин на аксонах работает как изолятор на проводах, то есть не дает отросткам нервных клеток терять и искажать электрический сигнал.

Поверхность головного мозга покрыта серым веществом – это плотно уложенные тела нейронов. Именно от этих клеток и бегут отростки-аксоны, образующие внутреннюю часть мозга.

Тела нейронов отвечают за создание электрических сигналов, а аксоны – за их проведение, то есть передачу от одного нейрона к другому. Вместе со своими слугами и помощниками, глиальными клетками, нервные клетки – самое важное, что только есть в головном мозге.

При помощи аксонов нейроны обмениваются информацией и образуют живые сети. Разумеется, нейроны объединяются друг с другом не по случайному принципу. Их союзы помогают создавать специализированные группы, позволяющие получать важную информацию от конкретных органов чувств и управлять мышцами.

Чтобы «упаковать» в относительно небольшую черепную коробку как можно больше нервных клеток, эволюция сделала наш мозг складчатым. У каждого из нас мозг индивидуален, но расположение основных складок – анатомы называют их извилинами – у разных людей примерно одинаковое.

Это значит, что если взглянуть на мозг со стороны, все его части будут очень похожи. Угадать по форме мозга, какой его участок отвечает за движение рук и губ, а какой – за зрение и слух, невозможно. Начертить карту мозга, которая позволила сопоставить его внутреннее устройство и роль, играемую тем или иным участком коры в управлении телом, удалось только в середине XX века, но уточнения в нее вносят до сих пор.

Что ученые знали об устройстве мозга к концу XIX века

Первое описание строения головного мозга появилось в III веке до нашей эры. Его оставили два древнегреческих анатома, Герофил и Эрасистрат, которые жили и работали в Александрии. Считается, что именно они первыми разделили головной мозг на два крупных отдела: большой мозг и мозжечок.

Но спустя примерно 40 лет практика вскрытия тел была запрещена, причем запрет продержался вплоть до эпохи Возрождения. Знаменитый римский врач Гален, который жил во II веке нашей эры, тоже интересовался головным мозгом. Его анатомические познания опирались на работы врачей былых времен. Однако он пытался пойти дальше предшественников и разобраться, зачем нужны те или иные части мозга.

Гален предположил, что раз мозжечок более твердый, вероятно, он отвечает за движение мышц. А поскольку большой мозг мягкий, он, очевидно, нужен для выражения эмоций. Что самое интересное, Гален фактически угадал: мозжечок действительно отвечает за координацию движений, а структуры, связанные с эмоциями, находятся в большом мозге.

Со времен Галена и до выдающегося анатома XVI века Везалия врачи и ученые не слишком интересовались корой головного мозга. Для тогдашних врачей кора мозга и правда была чем-то вроде коры дерева, то есть самая важная и интересная часть мозга считалась обычной оболочкой [77], которая защищает более ценное белое вещество мозга. В те времена врачи уже понимали, что мозг каким-то образом управляет телом, но какие его части отвечают за работу внутренних органов, а какие – за способность двигаться и воспринимать окружающий мир, еще никто не знал.

В XVII–XVIII веках исследователи все-таки заинтересовались поверхностью мозга. В те времена возможности изучать ее работу не было, поэтому исследователей интересовал прежде всего ее внешний вид. Сравнивая извилистую поверхность мозга разных людей, ученые пришли к выводу, что в ее строении есть общие черты.

Например, работавший в Лейдене в середине XVII века анатом Франциск Сильвий описал глубокую боковую «расщелину», которая отделяет лобные и теменные доли мозга от височной доли. В наши дни эту «расщелину» принято называть Сильвиевой бороздой. Она есть абсолютно у всех здоровых людей.

Закономерности в расположении всех остальных извилин мозга ученые начали выявлять только в XIX веке, а первые подробные изображения его поверхности появились только в атласе анатомии центральной нервной системы Фовилля^[6], который увидел свет в 1844 году [78].

Хоть иллюстрации в этой книге и были почти такими же точными и детальными, как фотографии, полученные при помощи современной аппаратуры, эти роскошные изображения использовали только в качестве анатомических ориентиров при вскрытии.

Ситуация начала меняться только в середине XIX века [79]. В 1861 году французский врач Поль Брока опубликовал исследование, в котором предположил, что повреждение левой лобной доли головного мозга – позже ее переименовали в область Брока – может серьезно повлиять на способность говорить.

Дальнейшие исследования показали, что Поль Брока был абсолютно прав. Сегодня мы знаем, что люди, которым не повезло получить травму открытой исследователем области мозга, могут сохранить абсолютно ясное сознание, но с трудом понимают обращенную к ним речь и сами утрачивают способность внятно говорить.

Примерно в то же время английский невролог Джон Хьюлингс Джексон всерьез задумался о том, что в коре головного мозга начинается не только речь, но и движение. Исследуя людей с эпилептическими припадками, он заметил, что судороги начинались с рук, а потом распространялись вверх по телу к лицу. Позже такое перемещение судорог назвали джексоновским маршем.

Джексон предположил, что во время припадка на поверхности мозга наблюдается электрическая активность. Сначала активируется какой-то один участок коры, а затем следующий – примерно так же, как ток бежит по проводам. Он решил, что судороги, которые начинаются в руках и поднимаются вверх до лица, на самом деле следуют за перемещением нервного импульса по коре мозга. А это значит, что разные участки коры отвечают за движение разных частей тела.

В 1870 году два врача, Густав Теодор Фрич и Эдуард Хитциг, проверили предположение Джексона в эксперименте на животных. Они стимулировали электрическим током разные участки коры головного мозга живых собак и записывали, какие движения после этого возникают.

Именно Фрич и Хитциг первыми обратили внимание, что стимуляция одних и тех же участков мозга вызывает одинаковые движения у разных собак. Сегодня мы называем эти участки мозга моторной корой.

Правда, тогдашнее научное сообщество посчитало, что доказательств существования моторной коры слишком мало. Не особенно помогло даже сообщение известного шотландского невролога Дэвида Феррье, которому удалось воспроизвести эксперименты Фрича и Хитцига.

Хотя многие исследователи уже в то время задумывались о том, что участки человеческого мозга могут распределять между собой обязанности примерно так же, как участки собачьего мозга, доказательств в пользу этого предположения было слишком мало.

Получить такие доказательства и создать запоминающийся образ, который помог сделать карту мозга частью нашей культуры, смогли только ученые XX века.

Эксперименты Фрича, Хитцига и Феррье были довольно жестокими, потому что их проводили на открытом мозге без наркоза. В 1881 году Дэвид Феррье стал первым ученым, которого судили по Закону о жестоком обращении с животными 1876 года [80]. Правда, Феррье оправдали, ведь благодаря его экспериментам хирурги научились находить опухоли в головном мозге.

Как придумали кортикального гомункулуса

В переводе с латыни слово «гомункулус» означает «крохотный человечек» [81]. Алхимики XVI века считали, что крошка-гомункул сидит в глубинах нашего мозга и управляет телом, словно гигантским роботом. Лучшего образа для отображения моторной коры, которая управляет нашими движениями, и сенсорной коры, отвечающей за восприятие и ощущения, не придумаешь!

Но прежде чем гомункулус мог перекочевать со страниц алхимических трактатов в серьезные научные статьи, нужно было получить достаточно доказательств, что такое явление, как зональность мозга, действительно существует и имеет отношение не только к животному, но и к человеческому мозгу.

Хотя первые шаги в этом направлении исследователи сделали еще в середине прошлого века, недостающий фрагмент ответа на вопрос о том, как мозг заставляет людей двигаться и воспринимать мир, удалось получить только в XXI веке.

Корбиниан Бродман, регионы головного мозга и моторная кора

Корбиниан Бродман родился в 1868 году в Лиггерсдорфе – деревушке на юге Германии [82]. Он был сыном служанки по имени Софи Бенклер и богатого землевладельца Йозефа Бродмана. Отец женился на матери и признал Корбиниана собственным сыном, только когда тому исполнилось 18 лет. Даже имя мальчику придумали не родители, а сельский священник.

В юности Бродман не блистал особыми талантами. Школьный учитель из начальной школы в Лиггерсдорфе так и записал в классной книге: «Хотя у Бродмана были слабые способности, он пошел в среднюю школу». Впрочем, это не помешало юноше получить неплохое медицинское образование: во время учебы он даже послушал лекцию нобелевского лауреата Вильгельма Конрада Рентгена – изобретателя рентгеновского аппарата. Устройством же головного мозга Бродман увлекся только после того, как сдал выпускной экзамен и получил разрешение работать врачом.

В 1896 году Бродман подхватил дифтерию и по тогдашнему обычаю отправился лечиться на курорт Александерсбад в Еловых горах. Там он не только выздоровел, но и познакомился с неврологом Оскаром Фогтом, который предложил молодому доктору – раз уж он все равно тут – поработать в психиатрическом отделении Александерсбада. Именно Фогт заразил Бродмана страстью к психиатрии и гипнозу.

В то время Александерсбад был самым модным курортом Германии. Туда приезжали поправить здоровье и подлечить нервы в том числе и члены богатейшей оружейной династии Крупп. Со временем друг и работодатель Бродмана Оскар Фогт стал лечащим врачом «пушечного короля» Альфреда Круппа, который с удовольствием спонсировал его исследования. На эти деньги Фогт и Бродман основали Нейробиологическую лабораторию Берлинского университета и получили карт-бланш на самые невероятные эксперименты, которые только могли прийти им в голову.

В берлинской нейробиологической лаборатории Бродман с 1901 по 1920 год исследовал гипноз, астроциты – клетки-«няньки», которые кормят и обслуживают нейроны, связь кровотока с активностью мозга и многое-многое другое. Но славу ему принесли работы по цитоархитектонике мозга – так называется научное направление, изучающее расположение и связи нейронов в головном мозге.

Это направление было новаторским. В то время почти никто цитоархитектоникой не занимался. Чтобы изучать расположение клеток мозга, Бродману пришлось самостоятельно сконструировать подходящий микроскоп, научиться делать тончайшие срезы мозга, окрашивать их и фотографировать результаты. Микрофотографии Бродмана до сих пор удивляют качеством и детальностью. Ими вполне можно иллюстрировать и современный учебник.

Во времена Бродмана большинство исследователей считали, что функции мозга четко закреплены за конкретными участками коры. Но Бродман предполагал, что нейроны образуют пусть сложную и разветвленную, но все-таки единую сеть. Он считал, что мозг добивается выполнения очень сложных задач, активируя разные участки нейронной сети в различных комбинациях. Теперь мы точно знаем, что нейросети существуют – Бродман был прав.

Бродман исследовал не только человеческий мозг. В процессе исследований он изготовил срезы головного мозга 64 видов позвоночных животных и тщательно их описал. В итоге у него накопилось множество данных, позволивших увидеть в расположении клеток мозга закономерности, общие для животных и людей.

Сопоставив эти данные, Бродман выявил и описал различия в участках складчатой поверхности мозга, которые мы сегодня знаем под именами моторной, префронтальной, зрительной и обонятельной коры. На основании этих чисто анатомических данных он и создал первую в истории карту коры головного мозга, но какие функции выполняли ее участки, которые анатомически отличались друг от друга, он не знал.

Как и многие амбициозные исследователи, Бродман не хотел ограничиваться только анатомическим описанием участков коры. Он мечтал разобраться, за что они отвечают и какими функциями управляют. К сожалению, для изучения функций головного мозга в то время было мало технических возможностей.

Тем не менее у Бродмана уже имелись данные нескольких исследований по электрической стимуляции разных участков головного мозга животных, подтверждавшие, что чисто анатомические участки, которые ему удалось обнаружить, действительно выполняют различные задачи.

Например, Бродман описал центральную область номер 4 коры головного мозга, которая делит мозг на переднюю и заднюю половинки, словно дуга от наушников или ободок. Сегодня ее называют зоной Бродмана.

Из исследований по электрической стимуляции мозга у обезьян уже было известно, что воздействие на зону Бродмана провоцирует движения тела у животных [83].

Тогда Бродман сделал следующий шаг – сопоставил строение области 4 у людей и обезьян. Он пришел к выводу, что, хоть у людей область 4 меньше и устроена немного иначе, она так похожа на обезьянью, что, скорее всего, тоже отвечает за движение.

Этот факт оказался весомым аргументом не только в пользу того, что в мозге есть специализированные участки, но и подтвердил, что моторная кора, открытая Фричем и Хитцигом, действительно существует. Правда, исследований по электростимуляции коры головного мозга у людей тогда еще было маловато, поэтому делать на их основе точные выводы было нельзя.

Зона Бродмана

Как это обычно и бывает, столь радикальные идеи не сразу приняли в научном сообществе. К тому же в Берлинском университете у Фогта и Бродмана завелся личный враг – влиятельный исследователь Пауль Флексиг. Он искренне считал друзей выскочками, а их работы – не стоящими внимания. К сожалению, в 1913 году Флексигу удалось поссорить друзей, и Бродман покинул Берлин.

Затем началась Первая мировая война. Бродман пошел работать врачом в полевом госпитале – лечить солдат с черепно-мозговой травмой. После войны он нашел работу в психиатрической лечебнице Нитлебена и получил предложение возглавить отделение топографической анатомии в Институте неврологии в Мюнхене, но вернуться к научной работе не успел. Исследователя убила чума XX века – испанский грипп.

Бродман опередил свое время как минимум на сто лет. Сегодня концепция нейронных сетей считается общепринятой, а современные специалисты по нейровизуализации активно изучают ее при помощи аппаратов для функциональной магнитно-резонансной и позитронно-эмиссионной томографии. Вполне может быть, что если бы Бродман не умер на пике карьеры в 1918 году, концепция нейронных сетей вошла бы в нашу жизнь еще до Второй мировой войны.

Уайлдер Пенфилд: кортикальный гомункулус

Уайлдер Грейвс Пенфилд родился в 1891 году в Спокане [84], городке на северо-западе США, но прославился как нейроученый, только когда переехал в Канаду. История жизни этого человека захватывает дух. Не только потому, что она интересна сама по себе, а еще и потому, что на ее примере хорошо видно: ни одно открытие не берется из ниоткуда. Если бы Пенфилд не учился всю свою жизнь, шаг за шагом приближаясь к открытию, мы так и не дождались бы появления кортикального гомункулуса.

Уайлдер Пенфилд принадлежал к старой врачебной династии: докторами были и его отец, и дед. Правда, отношения у родителей были напряженные, и в конце концов отец и мать разъехались. Медицинская практика отца сложилась не слишком удачно, поэтому, выбирая карьеру, молодой человек поставил медицину в конце списка.

Поначалу Пенфилд сделал ставку на американский футбол. Он поступил в Принстонский университет, где стал выдающимся игроком, а затем и тренером. Но на молодого футболиста обратил внимание преподаватель биологии. Профессору Конклину^[7] удалось заинтересовать юношу науками о жизни, и тот все-таки решил посвятить себя медицине.

В конце концов Пенфилд поступил в Оксфорд. Ему крупно повезло: в то время там читал курс по физиологии млекопитающих нобелевский лауреат, британский нейробиолог Чарльз Скотт Шеррингтон.

Фундаментальные биологические знания очень пригодились Пенфилду, когда он начал планировать собственные эксперименты. Но доучиться Пенфилд не успел – началась Первая мировая война.

Молодой доктор решил устроиться в больницу французского Красного Креста, но корабль, на котором он плыл во Францию, торпедировали немцы.

Пенфилду снова повезло: он взлетел высоко в воздух, но удачно приземлился на обломки и выжил, хоть и повредил колено. Несмотря на травму, Пенфилд помогал эвакуировать других пассажиров, но на этом его военная карьера закончилась.

Пенфилд вернулся в Оксфорд, успешно доучился, женился и в 1918 году поступил на работу в больницу Питера Бента Бригама^[8] в Бостоне. В то время пост главного хирурга этой больницы занимал Харви Кушинг^[9], которого по праву называют отцом современной нейрохирургии.

До Кушинга человек с опухолью мозга был обречен. После того как он разработал передовые методы хирургических операций, опухоль мозга перестала быть смертным приговором как минимум в Бостоне.

За свою жизнь Кушинг провел больше 2000 операций по поводу опухолей мозга, причем многим пациентам эти вмешательства добавили несколько лет здоровой жизни.

Знакомство с Кушингом укрепило желание Пенфилда посвятить себя исследованиям головного мозга, но прежде чем стать нейрохирургом, ему пришлось еще долго учиться. Чтобы продолжить образование, Пенфилд отправился в Нью-Йорк. В 1924 году хирург-патологоанатом Уильям Кларк предложил ему первую исследовательскую работу: нужно было изучать процесс заживления ран в головном мозге у экспериментальных животных.

Пенфилд должен был делать срезы мозга на разных этапах заживления, исследовать их под микроскопом и описывать, что именно в них изменилось. Но у него не получилось: на срезах ничего не было видно. К счастью, Пенфилд вспомнил, что Чарльз Шеррингтон^[10] рассказывал о новых методах окрашивания мозга, которые разработали испанские ученые, и решил отправиться учиться в Мадрид.

В Мадриде Пенфилд стал учеником Пио дель Рио-Ортеги – испанского нейробиолога, первооткрывателя микроглии – иммунных клеток, которые патрулируют головной мозг и помогают образовываться новым связям между нервными клетками. Сам Рио-Ортега когда-то учился у отца нейробиологии, самого Сантьяго Рамон-и-Кахаля.

Хотя подружиться исследователям так и не удалось, Рио-Ортега научил Пенфилда окрашивать срезы мозга при помощи сублиматного метода импрегнации [85]. Для этого сначала нужно было сделать тонкий срез ткани мозга, а затем пропитать его раствором солей драгоценных металлов.

Сантьяго Рамон-и-Кахаль – лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1906 года. Он получил ее в том числе и потому, что доказал: все нейроны объединены в цепи, передающие возбуждение от одной клетки к другой.

Участки ткани, в которых металл восстанавливается из раствора соли, приобретают черный или бурый цвет. Рамон-и-Кахаль использовал соли золота, а Рио-Ортега предпочитал соли серебра. И то и другое позволяет выявить устройство клеток мозга в самых мельчайших деталях.

Полученные навыки многое дали исследователю. Как писал об этом сам Пенфилд: «Благодаря анатомическим навыкам, полученным в Мадриде, я смог выработать собственный фундаментальный научный подход к проблемам нейрохирургии. И я страстно желал применить его ко всей области клинической неврологии».

Пенфилду не терпелось применить полученный опыт на практике. Вернувшись в Нью-Йорк, вместе с молодым ученым из Айовы Уильямом Верноном Коном он основал лабораторию нейроцитологии, которая занималась изучением клеток мозга. Исследователи оставались коллегами и близкими друзьями до смерти Кона в 1959 году.

Вскоре Пенфилд и Кон перенесли лабораторию в Королевскую больницу Виктории в Канаде и решили не только продолжить исследования, но и заняться нейрохирургической практикой. В то время нейрохирурги активно учились лечить эпилепсию [86]. При этой хронической болезни в некоторых участках мозга человека возникает неконтролируемая электрическая активность, которая провоцирует судороги. Но если удавалось хирургически удалить источник неконтролируемой активности, судороги прекращались и пациент выздоравливал.

Чтобы научиться лечить эпилепсию, Пенфилд отправился на полугодовую учебу к профессору Отфриду Фёрстеру из немецкого города Бреслау [87]. Фёрстер очень обрадовался появлению молодого коллеги и пригласил его принять участие в собственной научной работе.

В России Отфрид Фёрстер известен еще и потому, что в 1922–1924 годах был лечащим врачом В. И. Ленина.

После Первой мировой войны к немецкому профессору часто обращались бывшие военнослужащие с одной и той же проблемой – эпилепсией, возникавшей после травмы головы. Пытаясь обнаружить причину, из-за которой возникали судороги, Фёрстер выяснил, что после ударов по голове на поверхности мозга пациентов с эпилепсией в одних и тех же местах возникали уплотненные участки. По аналогии с рубцами, которые возникают после заживления ран на коже, профессор назвал эти участки шрамами. Если пациента удавалось успешно избавить от шрама на мозге, припадки прекращались.

Чтобы случайно не повредить здоровый участок мозга, Фёрстер оперировал людей, которые находились в сознании, одновременно стимулируя слабым электрическим током поверхность их мозга. При этом профессор внимательно наблюдал за пациентами и расспрашивал о том, что они чувствуют. Оперировать молчащих пациентов было слишком опасно: всегда был риск ненароком повредить речевой центр мозга и лишить их возможности говорить.

Он обнаружил, что во время стимуляции определенных участков мозга у пациентов двигались большие пальцы или подергивался уголок рта. Некоторые пациенты рассказывали, что во время стимуляции других участков мозга испытывали странные ощущения в нижней губе, руках или пальцах. Участники похожих экспериментов в наши дни описывали, например, пробежавший по руке прохладный ветерок, давление и покалывание [88].

Фёрстер запоминал, какие ощущения возникали у пациентов, и сопоставлял их с картой поверхности головного мозга. В итоге он заключил, что одни участки мозга у людей отвечают за восприятие телесных ощущений, а другие – за движения рук и ног. Сегодня участки коры первого типа мы называем сенсорной корой, а второго – моторной. Именно Фёрстер разработал прототип первой карты коры мозга человека.

В гостях у профессора Пенфилд исследовал под микроскопом клетки из шрамов на головном мозге. Тут ему впервые пригодились навыки, полученные в Испании. Он пришел к выводу, что плотный рубец с частично разрушенными нейронами, пронизанный кровеносными сосудами, которые обеспечивают ему питание, действительно служит источником нездоровой электрической активности в голове. Фёрстер был прав: если убрать рубец, судороги можно вылечить.

После окончания стажировки Пенфилд вернулся в Канаду и начал оперировать людей с эпилепсией, цель его была не только медицинской, но и научной. Обучившись методу Фёрстера, Пенфилд получил все необходимые знания, чтобы начать собственные эксперименты, в результате которых родился кортикальный гомункулус.

В отличие от Фёрстера, Пенфилд лечил не только пациентов, которые заболели эпилепсией после травмы, но и тех, кто страдал болезнью с самого детства – у него не было подсказок в виде шрамов на поверхности мозга: с виду участки мозга, которые отличались нездоровой активностью, и здоровые области казались совершенно одинаковыми.

Чтобы их обнаружить, Пенфилду пришлось разработать операцию, которую позже назвали Монреальской процедурой. Задача операции состояла в поиске и разрушении нервных клеток, которые неуместной электрической активностью провоцировали эпилепсию. Чтобы их найти, приходилось последовательно один за другим стимулировать разные участки коры. Когда Пенфилд добирался до участка с поврежденными нервными клетками и стимулировал его, у пациента начинался приступ судорог. Это помогало обнаружить и устранить эпилептический очаг.

Как и Фёрстер, Пенфилд работал с пациентами, которые находились в сознании и рассказывали о своих ощущениях – у него тоже была возможность получать подробную информацию о том, к каким последствиям приводит стимуляция некоторых участков коры. Но, в отличие от учителя, Пенфилд пошел дальше – он придумал замечательный способ сделать свои наблюдения максимально четкими.

На операцию Пенфилд брал с собой стерильные бирки и фотоаппарат, приглашал секретаря. Доктор стимулировал мозг, пациент описывал свои ощущения, а секретарь записывал ответы пациента и комментарии Пенфилда. Но этим дело не заканчивалось: прямо на поверхность мозга пациента Пенфилд помещал стерильную бирку. В потолке операционной было закреплено зеркало, которое помогало фотографировать «подписанный» мозг и получать его изображения в натуральную величину.

В 1938 году к Пенфилду присоединился Герберт Джаспер. Этот исследователь придумал делать энцефалограмму – запись электрической активности мозга – прямо во время операции.

За десятилетия работы Пенфилд и его коллеги – а он работал не только с Гербертом Джаспером, но и со многими другими специалистами – описали и тщательно задокументировали сотни случаев, когда электрическая стимуляция вызывала у пациентов с эпилепсией слуховые и зрительные галлюцинации, проблемы с речью, приступы страха, радости и другие эмоциональные переживания.

Пенфилд обнаружил, что стимуляция некоторых участков височной коры иногда вызывала у пациентов яркие воспоминания о предыдущих переживаниях. Опыт впечатлил не только ученых, но и несколько поколений фантастов и сценаристов.

Исследователи узнали так много, что позже сам Пенфилд назвал эпилепсию своим великим учителем. В конце концов у Пенфилда собрался впечатляющий архив из документальных фотографий и записей энцефалограмм, подтверждающих, что во время операций ученые ничего не перепутали и речь идет именно о тех областях мозга, о которых они пишут.

Полученные данные нужно было обобщить. В итоге этого обобщения родилась сначала подробная карта коры, а затем два гомункула: сенсорный, то есть чувствительный, и моторный, двигательный. Но чтобы понять, что это такое и почему гомункулы выглядят так странно и непохоже на людей, придется подробнее рассказать о том, как устроена кора.

Сложим открытия в одну корзину

Когда Пенфилд с коллегами попытались сопоставить изображения коры с данными записей и наблюдений за реакциями пациентов, оказалось, что это очень сложная задача. Дело в том, что кора мозга чем-то похожа на матрешку: чем более мелкий ее участок мы рассматриваем, тем больше обнаруживаем функций, за которые отвечают еще более мелкие ее участки.

Чтобы было понятно, о чем идет речь, можно сравнить мозг с нашей планетой. Нейробиологи, предшественники Пенфилда, смотрели на мозг примерно так же, как космонавты смотрят на Землю из космоса. Космонавты видят очертания океанов и континентов, а нейробиологи видели большие участки коры, одни из которых отвечают за способность слышать, видеть и чувствовать прикосновения, а другие управляют движениями.

Если нанести континенты и моря на шар, получится глобус – модель планеты Земля. А если обозначить области коры, выполняющие определенные функции, на изображении мозга, получится ее модель – кортикальная карта.

На кортикальной карте хорошо заметно, что области коры, отвечающие за движение мышц, лежат в передней части мозга, в лобных долях. Оттуда информация поступает в первичную моторную кору, которая расположена в прецентральной извилине. Именно ее назвали в честь Корбиниана Бродмана.

Области, которые получают и обрабатывают сенсорную информацию – данные от органов чувств, – расположены ближе к задней части мозга. Если смотреть на мозг спереди, двигаясь в направлении от лобных долей к затылку, первичная сенсорная кора идет сразу за зоной Бродмана. Нейробиологи говорят, что она расположена в постцентральной извилине. Первичная сенсорная кора обрабатывает сигналы, исходящие от таламуса, а он получает их от ствола мозга и спинного мозга.

Это значит, что можно начертить сразу две карты коры мозга – двигательную, или моторную, и сенсорную, чувствительную.

Передняя часть мозга (на рисунке слева) отвечает за движение, а задняя (справа) – за чувствительность

Пойдем дальше. Если взглянуть на поверхность Земли не из космоса, а с более близкого расстояния – например, из кабины самолета, – будет видно, что континенты неоднородны: на них можно различить горы, реки и очертания городов. Точно так же, если присмотреться к передней или задней части коры, станет видно, что отдельные области, из которых она состоит, отвечают за все более специализированные задачи.

Например, мы уже знаем, что задняя часть мозга отвечает за обработку сенсорной информации – сведений, которые приходят от органов чувств. Если взглянуть на нее с высоты самолета, можно заметить участки, которые обрабатывают информацию от конкретных органов. Например, в самой задней части мозга, затылочной доле, находится область коры, которая получает сигналы от сетчатки глаза, а области коры, обрабатывающие сигналы от ушей, находятся по бокам от головы – их называют височными долями. Сигналы от кожи поступают в самую верхнюю часть мозга – теменную долю.

Спустимся еще ниже. Если взглянуть на Землю с вершины горы, можно будет различить все больше деталей – увидеть границу лесов и полей, заметить озера и дороги. Если внимательнее присмотреться к височной доле, отвечающей за слух, можно различить участки, ответственные за восприятие разных нот.

Такой спуск можно продолжать очень долго, пока не дойдем до уровня отдельных нейронов. Но проблемы с изображением участков мозга, отвечающих за разные его функции, начнутся гораздо раньше. Дело в том, что размер наших частей тела и областей коры мозга, управляющих ими, не совпадают по пропорциям.

Например, отображение макулы – крохотной области в центре сетчатки глаза – занимает огромную площадь затылочной коры, сопоставимую по размеру с площадью, которой на теменной доле соответствует область руки от кисти до плеча. Так происходит потому, что на коре мозга отображается не тело в целом, а рецепторы – чувствительные датчики, расположенные на его поверхности.

Чем больше датчиков-рецепторов на каком-то участке тела, тем больше нужно нейронов для обработки поступающей от них информации. На ладонях, языке или макуле глаза таких рецепторов очень много – гораздо больше, чем на руках или коже спины. Именно поэтому под обработку информации от макулы мозг отводит огромные пространства коры, а от руки – относительно небольшие.

И вот тут-то перед Пенфилдом и его коллегами возникла проблема: как сделать карту коры головного мозга, которая передавала бы не только месторасположение функциональных зон коры, но и их значение для обработки информации?

В итоге исследователи нашли прекрасное решение. Они разбили изображение коры мозга на крохотные зоны, спроецировали их на отдельный рисунок и разделили на группы, соответствующие разным частям тела. Рядом с отображением групп они поместили эти части тела.

В итоге получился гротескный человек с гигантской головой, непомерно большим языком и кистями рук, но с коротким телом и крохотными ножками.

Таким образом, человечество получило не только карту мозга, но и его наглядную модель, позволяющую понять, за какие задачи отвечают разные участки коры и какой информационной важностью для мозга обладают те или иные части тела.

Как открытие карты мозга изменило медицину

Кортикального гомункулуса можно изображать по-разному. Например, в некоторых работах Пенфилд и его коллеги отделили сенсорного гомункулуса, который «живет» в передней части нашего мозга, от моторного (в задней части) и сделали отдельные их портреты. Это было полезно не только для нужд фундаментальной науки – важно еще и то, что кортикальные гомункулусы помогают нейрохирургам правильно ставить диагноз [89] и делать точные операции на мозге.

Предположим, у человека случился инсульт. При этом состоянии сгусток крови, или тромб, перекрывает артерию в головном мозге. Если быстро прооперировать и удалить тромб, можно предотвратить инвалидность и спасти человеку жизнь.

Мозг – важнейший орган тела, его питают тысячи кровеносных сосудов. Как понять, какой именно сосуд забился тромбом?

Помогут моторный и сенсорный гомункулусы. Из работ анатомов мы хорошо знаем, какой участок коры мозга снабжают те или иные кровеносные сосуды, а благодаря Пенфилду и его коллегам известно, какую роль играют эти участки коры в работе тела. Если изучить симптомы, с которыми столкнулся пациент, можно понять, какой сосуд пострадал.

Например, если тромб перекрыл переднюю мозговую артерию с левой стороны, у человека возникают слабость и проблемы с тем, чтобы работать противоположной рукой. Если пострадала средняя мозговая артерия, проблематичной становится не только рука, но и половина лица с той же стороны, а если обе артерии, происходит паралич всей противоположной его половины.

Конечно, у современных нейрохирургов есть замечательные инструменты, помогающие визуализировать мозг, то есть увидеть проблему своими глазами. Но далеко не всегда повреждение мозга приводит к проблемам со здоровьем. Если не ориентироваться на гомункулуса, который подскажет, привела ли опухоль, киста или гематома к проблемам со здоровьем, можно ненароком сделать человеку ненужную операцию на мозге. А поскольку вмешательство в мозг – всегда большой риск, возможность избежать ненужных процедур сложно переоценить.

Сенсорные и моторные гомункулусы – до сих пор важные помощники нейрохирургов. Но из-за того, что женский организм долгое время оставался одним из самых неизученных объектов в биологии, до первой трети XXI века существовали только гомункулусы-мужчины. Все потому, что женщины – более сложный объект для изучения, чем мужчины.

Уровень гормонов в женском организме зависит от цикла, а в мужском всегда стабилен. А поскольку гормоны – сильнодействующие химические вещества, заметно влияющие на работу всего организма, результаты экспериментов с людьми, у которых гормональный уровень остается постоянным, проще предсказать и объяснить.

Недоизученность женского мозга – большая проблема, ведь строение тела у мужчин и женщин сильно отличается. Это значит, что и соматосенсорный гомункулус-мальчик просто обязан отличаться от гомункулуса-девочки. Но если это так, получается, что, делая операцию женщине, нейрохирург как минимум в некоторых ситуациях действует наобум.

К счастью, в начале XXI века сенсорный гомункулус-женщина все-таки появилась. А в 2020 году двое исследователей из Университета Теннесси сделали ее трехмерный портрет [90]. Пенфилду с коллегами он наверняка очень понравился бы.

Глава 7
Какие тайны скрывает кожа, или Что такое ангиосомы: 1936–1987

Современный врач, специализирующийся на реконструктивной хирургии, занимается лечением повреждений и травм, которые в противном случае обезобразили бы человека навсегда. Такой специалист переносит неповрежденный участок кожи на место травмы, например на лицо, руку или ногу, так, что тот приживется. Если операция прошла удачно, некогда поврежденное место выглядит максимально естественно: зачастую не остается даже шрама. Но если бы исследователи XX века не разобрались, как именно кожа и лежащие под ней ткани снабжаются кровью, реконструктивная хирургия была бы невозможна.

Как кровоснабжается кожа

Кожа – самый большой орган нашего тела [91]. На нее приходится 8 % общей массы тела, а совокупная площадь ее поверхности приближается к двум квадратным метрам. Этот замечательный орган защищает нас от микробов, вирусов и травм, согревает в холоде и охлаждает на жаре, помогает получать сигналы из окружающего мира. Именно кожа формирует уникальные черты внешнего облика, поэтому от ее целостности и здоровья зависят наша привлекательность и индивидуальность.

Но если бы не сложная сеть кровеносных сосудов, которая пронизывает все слои кожи, доставляет к месту повреждений десант из защитных иммунных клеток и снабжает клетки кислородом и питательными веществами, кожи просто не существовало бы.

За снабжение кожи всем необходимым отвечают артерии – кровеносные сосуды с толстыми мышечными стенками, которые несут насыщенную кислородом кровь. Если зарисовать артерию, идущую от легких к внутренним органам и мышцам, а от мышц к коже, со всеми ее ответвлениями, «портрет» артерии напомнит дерево. На рисунке хорошо заметно, что у артерии есть толстый ствол и ветви, которые истончаются по мере того, как отходят все дальше от ствола.

Ствол – это длинный сосуд с толстыми мышечными стенками; он несет насыщенную кислородом кровь от легких к окружающим тканям. Слой мышц в стенках ствола самый толстый, потому что сердце закачивает в него кровь под большим давлением. Если артериальные стенки будут тонкими, их просто разорвет.

От ствола отходят толстые ветви, которые уходят к внутренним органам и мышцам. Мышечные артерии тоньше, чем ствол, но устроены почти так же – они тоже дают начало ветвящимся и постепенно истончающимся ветвям.

Некоторые мышечные артерии отводят свои ветви не только к разным участкам мышц, но и в подкожную клетчатку – их называют непрямыми кожными артериями. А часть артерий, хоть и уходит в мышцы, пронизывает их насквозь и сразу уходит в кожу – их называют прямыми кожными артериями.

Прямые и непрямые кожные артерии чуть тоньше мышечных, а занимаются тем, что накапливают и распределяют кровь по верхним и нижним слоям кожи. Можно сказать, что артерии глубоких слоев кожи одновременно играют роль и водохранилища, и водопровода.

В среднем слое кожи ветви становятся еще тоньше. Строение их сосудистых стенок тоже меняется: теперь мышцы есть только в некоторых участках, а остальное состоит преимущественно из соединительной ткани. Сквозь эти лишенные мышц участки кровь может питать клетки средних слоев кожи, но основную питательную роль играют все-таки не сами артерии, а множество тонких ветвящихся сосудов, которые отходят от них и пронизывают средний слой кожи, – их называют капиллярами.

Мышц в капиллярах нет, а их стенки образует всего один слой клеток. Через него свободно проходят молекулы кислорода, воды, липидов и многих других веществ, необходимых клеткам кожи. Для более крупных молекул – например, для белков – в стенках капилляров есть специальные отверстия.

Главная миссия артерий средних слоев кожи – терморегуляция, или теплообмен. Если человеку становится холодно, мышцы в стенках артерий средних слоев кожи сжимаются и кровь уходит в сосудистое водохранилище – артерии глубоких слоев кожи. Кожа становится прохладнее, зато внутренние органы получают больше горячей крови. Это помогает сохранять тепло для сердца, печени, легких и других важных внутренних органов.

А если человеку, наоборот, становится жарко, мышцы в стенках артерий расслабляются, сосуды расширяются и наполняются кровью. Кожа теплеет, и ее лишний жар переходит в окружающую среду. В итоге кровь охлаждается и человеку становится прохладнее.

В самых верхних слоях кожи артерий как таковых уже нет. Они переходят в субпкапиллярное сосудистое сплетение – огромное количество переплетающихся крохотных капилляров. Задача у этого сплетения такая же, как у капилляров средних слоев кожи, – они питают самые верхние ее слои.

Если взглянуть на кожу, например на спине или груди, она будет выглядеть сплошным ровным покровом. И действительно: на уровне эпидермиса и самых верхних слоев кожи разные ее участки очень похожи. Но чем глубже мы проникаем под кожные покровы, тем сильнее различается сосудистый рисунок двух на первый взгляд одинаковых участков. Однако логику в этом распределении удалось обнаружить только в XX веке.

Что знали ученые о кровоснабжении кожи к началу XX века

О том, как кровоснабжается кожа, ученые и врачи задумались только в XIX веке. До тех пор этот вопрос не был таким актуальным, потому что медицина была развита слабо, а хирургические операции были настолько опасными, что к ним прибегали только в крайнем случае – например, если раненому солдату требовалась срочная ампутация руки или ноги.

Но даже если бы исследователи ранних эпох решили изучить кровоснабжение кожи, у них все равно ничего бы не вышло. Ведь чтобы понять, как кровоснабжается кожа, сначала нужно разобраться, как в принципе устроено кровообращение. Поиски ответа на этот ключевой вопрос заняли у человечества больше двух тысяч лет [92].

Еще философы золотого века Древней Греции, который пришелся на 400-е годы до нашей эры, признавали, что и животные, и люди должны питаться и дышать. Они догадывались, что важную роль в этих процессах играют кровь и некоторые внутренние органы. Но поскольку в те времена было запрещено вскрывать тела умерших людей, а правильно проводить эксперименты на животных никто еще не умел, догадки античных исследователей о связи питания и дыхания с внутренним устройством человека были очень приблизительными.

Например, знаменитый античный философ Аристотель уже знал, что за движение крови по сосудам отвечает сердце. С другой стороны, и Аристотель, и его коллеги-философы считали, что съеденная пища попадает в печень, превращается в ней в кровь, которая затем поступает в вены и разносится по всему организму. А вдыхаемый воздух – греки называли его пневмой – попадает в легкие и оттуда поступает в артерии. То есть в представлении древних греков артериальная и венозная системы были принципиально разными системами, которые переносят различное содержимое.

Внук Аристотеля, древнегреческий врач Эрасистрат, тоже считал, что крови в артериях нет. По его мнению, артерии – просто воздуховоды, доставляющие живительную пневму напрямую к внутренним органам. Он считал, что за перемещение воздуха по пустым артериям отвечает сердце.

Правда, тут у Эрасистрата возникли проблемы. Ведь если проколоть артерию живого человека или животного иглой, из нее течет кровь. В итоге Эрасистрат предположил, что кровь движется от вен к артериям через невидимые анастомозы – точки, в которых артерии соединяются с венами. По его мнению, в месте соединения сосудов артерии очищаются от воздуха и в них поступает кровь.

Однако идея, что артерии и вены образуют единую систему, в прошлые эпохи популярностью не пользовалась. Например, римский врач Гален, живший во II веке нашей эры, все еще считал, что артериальная и венозная системы связаны друг с другом только через сердце.

Гален был уверен, что венозная кровь возникает в печени и поступает из нее по венам в правую часть сердца, а оттуда просачивается в его левую часть через дырки в перегородках между желудочками. В левую часть сердца по легочной вене поступает воздух, смешивается там с венозной кровью из печени и «облагораживает» ее, превращая в артериальную кровь. А уже из левой части сердца насыщенная воздухом артериальная кровь поступает в артерии и разносится по всему организму.

Причем, по Галену, использованная органами кровь к сердцу не возвращалась. Он считал, что органы употребляют кровь как еду или воду, а печень потом создает новую из пищи. На этом, кстати, основывалась идея кровопускания.

Сторонники кровопускания считали, что печень больного человека создает слишком много дурной, испорченной крови, которая отравляет организм и увеличивает давление в сосудах. А значит, из-за нее может случиться удар – сегодня мы назвали бы это инсультом или инфарктом. Поэтому идея выпустить «лишнюю» кровь казалась хорошей – ведь тогда организм очистится, давление упадет и больной человек поправится.

Представления Галена о кровообращении никто не пытался оспорить вплоть до XVI века – в основном потому, что проводить вскрытия и эксперименты было строго запрещено. Сам Гален за свою жизнь не сделал ни одного вскрытия – его концепция основывалась исключительно на наблюдениях за пациентами и трактатах предшественников. Но как только запреты ослабли, почти сразу стали накапливаться данные, которые разошлись с представлениями Галена.

Например, итальянский профессор анатомии Андреас Везалий, автор одного из самых первых настоящих анатомических атласов, вскрыл сердце и не нашел дырок в перегородке между желудочками. А его ученик Реальдо Коломбо исследовал легочную вену и не нашел в ней воздуха – только кровь.

Однако настоящий прорыв в понимании кровообращения случился только в XVII веке, когда этим вопросом вплотную занялся английский врач Уильям Харви [93]. Он не только наблюдал за пациентами при их жизни и делал вскрытие тел после смерти, но и провел множество любопытных экспериментов, которые наглядно показали, как кровь движется по сосудам.

Например, Харви наложил на руку добровольца жгут так, чтобы пережать и артерии, и вены. Артерия набухла и продолжала пульсировать, но по другую сторону жгута пульс пропал. Пережатая вена стала толстой и проступила под кожей. Из этого Харви сделал вывод, что кровь поступает в руки и ноги по артериям, а возвращается в тело по венам.

Кроме того, Харви сравнил образец крови, взятой из вены, с образцом крови из артерии. Обе порции заняли одинаковый объем в лабораторной посуде и после свертывания не отличались по консистенции.

Правда, артериальная кровь оказалась более яркой, чем венозная. Сегодня мы сказали бы, что разница в цвете связана с белком, ответственным за перенос кислорода. Этот белок называется гемоглобином и содержится в красных кровяных клетках – эритроцитах.

В легких гемоглобин связывается с кислородом и превращается в оксигемоглобин. Это вещество окрашено ярче, чем обычный гемоглобин. Именно поэтому покидающая легкие артериальная кровь ярко-красного цвета.

Отдав кислород органам и тканям, оксигемоглобин снова превращается в гемоглобин, поэтому венозная кровь темнее артериальной, ведь кислорода в ней уже нет.

Гемоглобин может связывать не только кислород, но и углекислый газ. Правда, гемоглобин не может связать весь углекислый газ, образующийся в организме. Поэтому, в отличие от кислорода, который переносят кровяные клетки, большая часть углекислого газа растворяется в жидкой части крови – плазме. Когда венозная кровь возвращается в легкие, растворенный углекислый газ снова превращается в газообразное вещество и покидает организм, когда мы делаем выдох.

Всего этого Харви, конечно, не знал. Тем не менее он предположил, что артериальная кровь – то же самое, что и венозная, только у нее «больше жизненной силы». Харви считал, что артерии получают кровь из вен через сердце. Чтобы доказать это, он провел еще один эксперимент с пережатыми венами и артериями, но на этот раз не на человеческой руке, а на сердце живой змеи.

Харви пережал вену, ведущую к змеиному сердцу, и заметил, что оно побледнело и уменьшилось в размерах. При этом артерия, которая вела от сердца, опустела. Когда он отпустил вену и пережал артерию, сердце стало ярким и багровым, а артерия осталась наполненной кровью. Харви заключил, что в артериях и венах течет одна и та же кровь, а сами они объединены в круг, посередине которого находится сердце, то есть количество крови в организме строго ограничено.

Это был серьезный удар по самой идее кровопускания. Ведь если органы и ткани не поглощают кровь, значит, лишней крови в организме в принципе не бывает. Получается, кровопускание может причинить человеку больше вреда, чем пользы.

Правда, идеи Харви популярностью не пользовались – он так и не смог доказать, что человеческие кровеносные сосуды объединены в круг. Английский исследователь доказал, что артериальная и венозная кровь связаны через сердце, но не смог обнаружить вторую их сцепку – точки, в которых артерии переходят в вены в самом организме.

И это неудивительно. Круг кровообращения замыкается на микроскопическом уровне, а микроскопа у Харви не было.

К ответу на вопрос, где артерии переходят в вены, вплотную подобрался итальянский биолог и личный врач папы римского Марчелло Мальпиги (1628–1694) [94]. В отличие от Харви, Мальпиги любил работать с микроскопом, поэтому заметил то, что укрылось от английского коллеги.

В 1661 году Мальпиги сделал тонкий срез легкого и взглянул на него под микроскопом. Он обратил внимание на сетку из тончайших нитей, которая пронизывала легкое, и заподозрил, что это могут быть кровеносные сосуды. Сегодня мы называем их капиллярами.

Мальпиги повторил свой эксперимент, поместив под микроскоп мочевой пузырь живой лягушки. Он увидел, что по тоненьким ниточкам, оплетающим мочевой пузырь, течет кровь, и предположил, что эти тончайшие кровеносные сосуды должны сливаться в более крупные, которые мы теперь называем венулами [95], а венулы постепенно переходят в полноценные вены.

В 1688 году знаменитый микроскопист Антони ван Левенгук тоже открыл капилляры независимо от Мальпиги. Чтобы доказать всему миру, что в капиллярах течет кровь, он пригласил в лабораторию пятерых свидетелей, которые наблюдали этот процесс под микроскопом своими глазами. Это помогло убедить членов Лондонского королевского общества, что капилляры не только существуют, но и работают как настоящие кровеносные сосуды.

Исследователи XVIII и XIX веков подтвердили, что Мальпиги прав и капилляры действительно постепенно переходят в вены. Круг кровообращения официально замкнулся. А это значит, что у врачей наконец-то оказались все кусочки головоломки, необходимые для ответа на вопрос, как кровоснабжается кожа.

День ото дня этот вопрос становился все актуальнее. К концу XIX века хирурги все чаще делали сложные операции и постоянно изобретали все новые и новые методы оперативного лечения.

Умение сделать разрез так, чтобы сохранить в жилах пациента как можно больше крови, стало очень актуальным врачебным навыком.

Так как же на самом деле кровоснабжается кожа?

Ответ на этот вопрос в 1980-х годах дали английский исследователь Ян Тейлор и его коллега Джон Палмер. Но самые первые работы, без которых концепция кровоснабжения кожи никогда не появилась бы на свет, провели исследователи из Германии и Франции, причем первый работал на рубеже XIX и XX веков, а второй – в 1930-х годах XX века.

Карл Манчо и Мишель Салмон: кожные артерии в рентгеновских лучах

Первого человека, который попытался проследить ход кожных артерий, звали Карл Манчо (1866–1932) [96]. В 1889 году 23-летний студент Страсбургского университета опубликовал научную работу, в которой описал результаты сложнейшего исследования, длившегося полгода.

Манчо вводил в кожные артерии свежих трупов краситель с оксидом свинца [97]. Точный состав этого красителя теперь уже утерян. Оксид свинца – вещество ярко-красного цвета, хорошо известное художникам прошлого; они называли его свинцовым суриком.

Краситель с оксидом свинца заполнял артерии и застывал в них, превращая мягкие и гибкие артерии в хорошо заметные твердые красные веточки. После этого Манчо осторожно вырезал их из кожи и тщательно зарисовывал расположение всех ветвей.

Затем молодой исследователь сопоставлял кожные ветви артерий с главными сосудами, которые проходили под мышечным слоем, и переносил изображение законсервированных сосудов на рисунки. В результате становилось видно, какое расположение эти артерии занимают в отсутствующей коже.

Завершив эту работу, Манчо пришел к выводу, что кожу лица, тела, рук и ног снабжают кровью 40 различных артерий, что позволяет выделить обособленные зоны, каждая из которых привязана к собственной артерии.

К сожалению, у Манчо не получилось описать артерии на всем их протяжении, вместе с капиллярами [100]. Краситель, который он использовал, был очень густым [101] и поэтому не попадал в тончайшие капилляры. Но даже если бы эти сосуды и окрасились, выделить их из кожи, не повредив, все равно не получилось бы.

В итоге некоторые кожные зоны Манчо очертил неточно, а часть обнаружить так и не смог.

Тем не менее, если сравнить рисунки из его труда «Кожные артерии человеческого тела» [103] с современными изображениями, становится видно, что некоторые самые крупные зоны, расположенные в области спины, он очертил достаточно точно. Поэтому отдельные специалисты считают этого молодого исследователя условным отцом реконструктивной хирургии.

Карл Манчо завершил работу за шесть лет до того, как знаменитый физик Вильгельм Конрад Рентген представил миру свое знаменитое изобретение – рентгеновский аппарат. Это устройство впервые в истории позволило врачам и ученым заглянуть внутрь человеческого тела, не разрезая его. Некоторые исследователи предполагают, что если бы немецкий студент получил подспорье в виде рентгеновского аппарата, эра реконструктивной хирургии могла бы начаться почти на 100 лет раньше.

Однако кровеносные сосуды кожи попали под рентгеновские лучи только в 1936 году, когда Манчо уже умер. Эту работу проделал французский анатом и хирург Мишель Салмон (1903–1973) [104], который в то время возглавлял отделение детской хирургии и ортопедии в Марселе.

Салмон был хорошо знаком с работой Манчо и прекрасно понимал все ее ограничения. Поэтому он решил зафиксировать кожные артерии более жидким красителем, который попадет в капилляры, и изучить их строение при помощи рентгеновского аппарата. Это гарантировало, что тоненькие сосуды не разрушатся при вскрытии.

Мишель Салмон разработал собственный краситель на основе оксида свинца [105] и льняного масла, которое проникало даже в капилляры. Чтобы артерии не портились, Салмон добавлял в краситель антисептик – карболовую кислоту. А чтобы краситель со временем застыл, он ввел в его состав растворенную в диэтиловом эфире толченую канифоль – так называется желтая или коричневая смола хвойных деревьев. Когда краситель вводили в сосуды, канифоль затвердевала, и получались хорошо заметные в рентгеновских лучах слепки кровеносных сосудов.

Салмон ввел свой авторский краситель в артерии 50 человеческих трупов, а затем перенес препараты под рентгеновские лучи. В итоге ему удалось сфотографировать кожные артерии по всей длине: от ветвей, кровоснабжающих мышцы, до более тонких, уходящих в подкожную клетчатку, и до самого последнего капилляра, который насыщает кровью кожу.

Французский исследователь выяснил, что артерии, снабжающие кровью кожу, проходят сквозь мышцы в одних и тех же местах у разных людей. Это было очень важное открытие. Ведь если положение артерий фиксировано, значит, их расположение можно нанести на универсальную карту, которая подойдет для любого пациента. Если хирург станет ориентироваться на эту карту во время операций, он сможет избежать повреждения крупных артерий и серьезного кровотечения.

Но и это еще не все. Салмон выяснил, что хотя кожные артерии относительно независимы, они все-таки контактируют друг с другом и с более глубокими артериями при помощи сосудистых соединений – анастомозов, которые организуют кожные артерии в единую систему. Но если провести разрез по анастомозам, основная артерия останется целой и работоспособной и продолжит снабжать свой участок кожи кровью.

Получается, что каждая кожная артерия делает свой участок кожи практически автономным от соседей. А это означает, что его можно пересадить – например, со спины на поврежденную ногу. Если вшить ножку артерии из кожного лоскута в основную артерию, которая пролегает в месте пересадки, этот участок кожи успешно приживется.

Получается, что Салмон фактически открыл эру сосудистой и реконструктивной хирургии, однако о его работе узнали не так уж много специалистов. Во-первых, он писал по-французски, а этот язык знают далеко не все ученые. А во-вторых, его работа вышла за три года до Второй мировой войны. Из-за этой трагедии работы многих исследователей были незаслуженно забыты на долгие годы.

Ян Тейлор: концепция ангиосом

Настоящая анатомическая революция случилась только в 1970-е годы, когда на работы Манчо и Салмона снова обратили внимание. В 1973 году последователи этих ученых заново открыли [106], что существует два типа артерий: те, что проходят сквозь мышцы и снабжают кровью только кожу, и те, что снабжают кровью и мышцу, и кожу над ней.

Опираясь на это знание, хирурги могли выбрать самый подходящий участок для пересадки кожи [107]. При поверхностных травмах можно было взять участок с артерией, снабжающей кровью только кожу, а при более глубоких – лоскут с артерией, которая питает не только кожу, но и мышцу. Участки кожи с неповрежденными артериями так хорошо приживались, что у некоторых пациентов не оставалось даже намека на шрам. Но таких удачных фрагментов было известно не очень много, так что помогало это не всегда.

Началась анатомическая золотая лихорадка. Многие хирурги-практики вернулись в анатомические залы, чтобы отыскать новые подходящие для пересадки участки кожи.

О своих открытиях они писали статьи, но понятного всем хирургам языка, который позволял описывать обнаруженное, еще не существовало. В результате в 1980-е годы появилось много новых терминов и классификаций кожных лоскутов, в которых было легко запутаться. Стало очевидно, что без ясной и понятной концепции кровоснабжения кожи уже не обойтись.

Эту концепцию вместе с коллегами по Мельбурнскому университету создал известный пластический хирург, профессор Джеффри Ян Тейлор [108]. Австралийский доктор окончил медицинский факультет Мельбурнского университета в 1963 году, и с тех пор непрерывно оперировал. За 20 лет практики он познакомился с работами всех своих предшественников, поэтому хорошо понимал, что сведения о кожных лоскутах давно пора классифицировать.

Тейлор, как и другие его коллеги, регулярно навещал анатомический зал. С начала своей практики он провел вскрытия более 2000 свежих трупов. Правда, поначалу он делал это не с научной, а с чисто практической целью. Вскрытия помогали очертить границы кожного лоскута с общей артерией, который подошел бы для пересадки живым пациентам.

С трупами Тейлор работал примерно так же, как Мишель Салмон, но у австралийского доктора было больше возможностей, чем у французского. За 50 лет сведений о строении кожи появилось больше, а рентгенологическое оборудование стало удобнее.

Было у Тейлора и еще одно важное преимущество. В отличие от своего французского предшественника, он мог сразу применить полученные знания в операционной и немедленно оценить результат. Часто пересадки кожи проходили настолько удачно, что Тейлор задумался о большем – о переносе нервов и целых мышц.

Для этого нужно было хорошо изучить строение составных единиц ткани, которые снабжает кровью одна и та же артерия. Составные единицы ткани – это части человеческого организма, выполняющие определенную задачу: например, связки «кожа – сухожилие», «мышца – кость» или «мышца – нерв».

В то время еще никто не пытался проводить подобные исследования, поэтому Тейлору и его коллегам пришлось придумывать технику эксперимента с нуля.

Сначала они приблизительно очерчивали интересующий участок кожи, вскрывали его, выделяли интересующую артерию хирургическим путем и детально описывали. Но чтобы получить более точный результат, нужно было ввести краситель в подкожные артерии свежих трупов. Поначалу это были обычные цветные чернила, которые понемногу распространялись под кожей, а Тейлор фотографировал их на разных этапах исследования.

Но затем исследователи перешли на краситель с желатином и оксидом свинца, позволявший исследовать строение артерий при помощи рентгеновского аппарата. Проводить рентгеновские исследования было сложнее, они занимали больше времени – на некоторые опыты у экспериментаторов ушло больше двух лет. Все это время трупы нужно было хранить, поэтому Тейлору пришлось предварительно консервировать артерии в хлоркрезоле^[11].

Когда введенная в артерии рентгеноконтрастная смесь застывала, кожные покровы вместе с законсервированными сосудами снимали и расстилали на большой платформе, прозрачной для рентгеновских лучей. Затем на платформу помещали само тело – это позволяло проследить ход артерий в мягких тканях.

Широкую прозрачную платформу, способную выдержать вес тела, Тейлору пришлось придумать и сконструировать самостоятельно. Однако все усилия окупились сторицей, ведь рентгеновские лучи прекрасно выявляли строение капилляров в коже и позволяли проследить, какие еще ткани в глубине тела снабжает кровью интересующая исследователей артерия.

Когда снимки кожи и тела совместили, получился трехмерный образ тела, пронизанного артериями на всем его протяжении. На рентгеновских снимках было хорошо видно, что каждой артерии соответствует собственный участок мягких тканей. Эти участки исследователи назвали ангиосомами.

Сложим открытия в одну корзину

Ангиосома – это трехмерная анатомическая территория. Если сравнить человеческое тело с пирогом, ангиосома будет его функциональным куском, включающим сухожилие, мышцу, нервы, подкожную клетчатку и кожу, которые снабжает кровью одна общая артерия.

Эти составные блоки из кожи, костей, мышц и других мягких тканей сочетаются друг с другом как части сложной головоломки. У некоторых ангиосом толстая кожная корка и относительно небольшой слой глубоких тканей, а у других все ровно наоборот.

Сначала Тейлор и его коллеги обнаружили 40 базовых артерий – столько же, сколько нашел Манчо. Эти артерии дают 376 ответвлений [109], каждому из которых соответствует собственная ангиосома, то есть каждая артерия в среднем образует четыре-пять ангиосом разного размера.

Артерия, пронизывающая ангиосому, связана с соседней ангиосомной артерией на всем своем протяжении. Анастомозы между артериальными ветвями есть на уровне мышц, подкожной клетчатки и кожи. Это превращает отдельные «кусочки» человеческого организма в единое «лоскутное одеяло», крепко сшитое кровеносными сосудами, покрывающими все тело.

Как открытие ангиосом изменило реконструктивную хирургию

Истинная реконструктивная хирургия зародилась в годы Второй мировой войны, когда врачи стремились восстановить поврежденные лица и открытые части тела раненых солдат. Однако в те годы речь шла в первую очередь о сохранении жизни и только в последнюю очередь – об эстетике. Даже если хирург искренне стремился вернуть обезображенному человеку привлекательность, знаний для этого было недостаточно.

Эра реконструктивной хирургии началась в 1970-е годы, но истинного расцвета это направление медицины достигло только с появлением ангиосомной концепции. Когда Тейлор и его коллеги установили границы каждого «лоскута» в «сосудистом одеяле» нашего организма, хирурги наконец-то получили возможность безопасно разбирать его, удалять необратимо поврежденные части и заново собирать оставшиеся. Причем речь идет не только о воссоздании целого кожного покрова без шрамов.

В наши дни хирурги могут восстановить поврежденные мышцы, вернув подвижность конечностям, и соединить разорванные нервы так, что к человеку вернется утраченная чувствительность.

Правда, Тейлор с коллегами совсем не считают, что за восстановление груди, половых органов, губ и носов мы должны быть признательны исключительно команде Мельбурнского университета. В каждой своей статье австралийские врачи подчеркивают, что реконструктивная хирургия – общее детище исследователей и анатомов самых разных эпох: от Аристотеля и Эрасистрата до Манчо, Салмона и их последователей.

Глава 8
Тайна пропавшей коленной связки: 1879–2013

У некоторых анатомических открытий странная судьба: их делают несколько раз. Иногда так происходит потому, что идея ученого оказалась слишком радикальной для современников, но порой о них просто забывают на несколько столетий. Именно это и произошло с небольшой коленной связкой, которая, по странному упущению, исчезла из анатомических атласов больше чем на 130 лет.

Как устроено колено

Колено – самый крупный сустав в нашем теле, который состоит из трех костей. Круглая головка бедренной кости лежит на уплощенной головке самой крупной кости голени – большой берцовой кости. В результате образуется естественный шарнир [110].

Концы костей покрывает суставной хрящ – слой гладкой соединительной ткани, благодаря которому кости легко скользят друг по другу, когда колено сгибается. По внешним краям расположены подвижные хрящевые мениски – они позволяют чуть-чуть повернуть колено внутрь и наружу. А все остальное пространство, не занятое костями и хрящом, занимает протектор из жировой ткани.

Снизу головку большой берцовой кости подпирает головка малой берцовой кости. Некоторые анатомы считают ее частью коленного сустава. Но согласны с этим не все, ведь головки малой и большой берцовой костей почти не движутся друг относительно друга, а значит, не могут считаться частью сустава.

Поверх шарнира, напротив бедренной кости, лежит вогнутая плоская кость – коленная чашечка, или надколенник. Это очень важная кость – не только потому, что коленная чашечка защищает сустав от повреждений, как хоккейная или велосипедная защита.

За движения в колене отвечают три основных набора мышц [111]. Все они крепятся к костям при помощи крепких пучков соединительной ткани, которые называются сухожилиями. Первый набор – большая четырехглавая мышца. Она лежит поверх бедренной кости, а ее длинное сухожилие крепится к верхней части коленной чашечки, перекидывается через нее и соединяется с большеберцовой костью. Когда четырехглавая мышца сокращается, нога разгибается. Надколенник при этом превращает колено в более эффективный рычаг [112] и не дает сухожилию

© Давыдов Д.С., текст, 2021

© Дьякова А.В., иллюстрации, 2022

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2022

* * *

Моей семье:

Сергею Давыдову,

который научил меня читать,

Ларисе Давыдовой,

которая привила мне любовь

к биологии и медицине,

и жене Елене – без ее помощи

я бы никогда не превратился из биолога

в научного журналиста.

Введение

Золотой век анатомии начался в XVI столетии и продолжался вплоть до XIX века. Тайны внутреннего устройства человеческого тела привлекали лучших ученых, так что анатомия человека считалась одной из важнейших областей исследований. Престиж анатомии был так высок, что в 1542 году французский анатом, математик и астроном Жан Франсуа Фернель (1497–1558) писал: «Анатомия для физиологии – как география для истории: описывает место действия». Фернель знал, о чем говорит, – в конце концов, именно он придумал термин «физиология» [1].

Однако к началу XX века большая часть органов была уже открыта, а их подробные «портреты» попали в анатомические атласы. Миссия анатомии изменилась – теперь ученые, работавшие в этой области, стремились уточнить строение уже открытых и описанных легких, печени и мозга и разобраться, как именно они работают.

Но к концу XX века многие люди – и среди них немало ученых! – начали считать, что песенка анатомии как области научного исследования спета. В интервью для журнала The Conversation профессор эволюционной биомеханики из Лондонского университета Джон Хатчинсон вспоминает [2, 3]: в 90-х годах XX века, когда он учился в аспирантуре, многие его коллеги считали, что строение человеческого тела давным-давно изучено и новых открытий в этой области не предвидится.

Но XXI век показал, что ученые и врачи серьезно переоценили свои знания и недооценили чудесную шкатулку с секретами – человеческое тело.

Современные методы исследования принесли и новые анатомические открытия, причем довольно крупные: от лимфатической системы мозга до неизвестных слюнных желез, которые обнаружили в глотке в 2021 году.

В общем, хоронить старушку-анатомию явно преждевременно. Я уверен, что наше тело еще преподнесет ученым немало сюрпризов. А пока предлагаю почитать о том, что нам в XX–XXI веках удалось узнать о строении и работе тела.

Но прежде чем двигаться, я должен сказать несколько слов о том, как устроена книга, – и сразу же извиниться за ее неполноту. Объем книги не бесконечен, поэтому я включил в нее только те открытия, которые показались мне самыми важными и интересными.

А еще я должен попросить прощения у тех блестящих ученых, которые приложили руку ко многим из упомянутых в книге открытий, но либо не попали в книгу, либо упомянуты только вскользь. В свое оправдание я могу сказать только одно: у меня не было другого выхода. Большинство научных открытий случились только потому, что в этом направлении в разное время работали десятки, а иногда и сотни исследователей. Но если упомянуть всех, то история просто рассыплется на кусочки!

Как читать эту книгу

Человеческое тело устроено сложно. Чтобы говорить о нем правдиво и без лишних упрощений, нужен особый анатомический язык, на овладение которым у специалистов уходит по нескольку лет.

Но поскольку у нас этого времени нет, каждую историю об анатомическом открытии я буду предварять коротким введением. Там я в общих чертах расскажу, как устроен и работает орган, о котором идет речь, и познакомлю с основными понятиями анатомического языка, которые потребуются нам в разговоре об этой части организма.

Во второй части каждой главы я расскажу о том, что уже было известно ученым об устройстве органа к концу XIX века. Это важно, ведь многие наши герои совершили свои открытия, возражая своим предшественникам и дискутируя с ними.

В третьей и четвертой частях глав речь пойдет о том, как именно было сделано то или иное анатомическое открытие. Мы увидим, как рассуждали ученые, к каким методам прибегали, с кем спорили и чьи концепции опровергали – и к каким выводам в итоге пришли.

И, наконец, в конце каждой главы расскажу о практической пользе анатомических открытий. Ведь анатомия – именно та наука, прорывы в которой в самом прямом смысле слова спасают жизни. Правда, в главах, посвященных XXI веку, мне зачастую пришлось сочинять. Ведь открытия совсем свежие, можно сказать, с иголочки – так что пока непонятно, к чему все это приведет.

Глава 1

Тайна работы сердца: 1906–1907

С устройством сердца анатомы разбирались в течение долгих тысячелетий. Проблема была и в религиозном запрете на вскрытие тел – в разные эпохи его разделяли представители практически всех человеческих цивилизаций, – и в сложном устройстве самого органа.

Однако наука не стояла на месте. К началу XX века ученые подошли, имея на руках достаточно подробное и точное описание анатомического устройства сердца. При этом оставался нерешенным важный вопрос: почему же оно все-таки бьется и не сбивается с ритма? Чтобы было понятно, почему этот вопрос оказался таким важным и сложным, давайте на минутку заглянем внутрь сердца.

Как устроено сердце

Сердце – мышечный насос, который перекачивает кровь. Размером сердце примерно с кулак, хотя по форме больше похоже на конус. Расположено оно почти посередине грудной клетки, с небольшим креном влево. Грудная клетка – прекрасное место для сердца, потому что крепкая клетка из ребер обеспечивает ему надежную защиту.

Ритмичные сокращения сердца – мы называем это сердцебиением – отправляют кровь в великое путешествие по телу. Без этого путешествия мы просто не смогли бы жить.

Сердце можно сравнить с транспортной развязкой, где сбегаются все кровеносные сосуды – автомагистрали организма.

И у сердца, и у автомобильной развязки одна и та же задача – не дать перепутаться транспортным потокам. Два главных транспортных потока, разделяющих сердце, – артериальная и венозная кровь. А два маршрута, по которым нужно направить эти потоки, называются большим и малым кругами кровообращения.

Малый круг кровообращения идет от сердца к легким и обратно, а большой – от сердца к органам и тканям и возвращается назад к сердцу.

Разделение крови возможно благодаря особому устройству сердца – оно состоит из правой и левой частей.

Правая часть работает с венозной, то есть с насыщенной углекислым газом кровью, которая возвращается от органов и тканей.

А левая – с артериальной, богатой кислородом кровью, приходящей из легких. Благодаря перегородке, разделяющей сердце на две части, артериальная и венозная кровь не смешиваются.

Каждая половинка сердца разделена перегородкой еще на две части: верхняя называется предсердием, а нижняя – желудочком. То есть у сердца четыре камеры: два предсердия и два желудочка. Предсердия и желудочки работают синхронно. Это необходимо для нормального функционирования сердца. Ведь если бы каждая камера сокращалась в собственном темпе, добиться синхронности было бы очень сложно.

Циркуляция крови

Когда расслабляется правое предсердие, одновременно расслабляется и левое. В этот момент оба предсердия наполняются кровью: правое – венозной из полой вены, которая идет от тела, а левое – артериальной из легочной вены, идущей от легких. Эта фаза сердечного цикла называется диастолой.

И справа, и слева между предсердием и желудочком есть «дверца» из тонкой, но прочной соединительной ткани. Эти «дверцы» называют предсердно-желудочковыми клапанами. Они нужны, чтобы кровь всегда текла в одном направлении, от предсердий в желудочки.

Когда предсердия сокращаются, предсердно-желудочковые клапаны открываются, и кровь из предсердий переходит в расслабленные желудочки. Наполнившись кровью, желудочки одновременно сокращаются. В результате венозная кровь из правого желудочка поступает в артерию, которая несет ее в легкие, а артериальная кровь из левого желудочка попадает в крупную артерию – аорту, откуда бежит к органам и тканям. Эта фаза сердечного цикла называется систолой.

В артериях, по которым кровь уходит из сердца, тоже есть клапаны – они мешают ей возвращаться в сердце. Когда кровь из сердца поступает в сосуды, клапаны открываются и закрываются, издавая особый звук, который мы называем стуком.

Дело сделано! Венозная кровь от сердца отправилась в легкие избавляться от углекислого газа и насыщаться кислородом, а артериальная кровь из сердца понесла кислород к клеткам всего тела. Но как именно сердцу это удалось?

Что ученые знали о сердце к началу XX века

Самыми первыми исследователями, которые всерьез взялись за изучение анатомии сердца, принято считать двух древнегреческих анатомов [4] – Герофила и Эрасистрата, которые жили во второй половине III века до нашей эры. Этим ученым повезло дважды: во-первых, они жили и работали в Александрии – античной столице наук. А во-вторых, они застали времена, когда можно было проводить вскрытия умерших естественной смертью или казненных людей.

Возможность вскрывать трупы, не боясь осуждения жрецов и преследования со стороны закона, быстро принесла свои плоды. Эрасистрат не только описал форму сердца, но и обнаружил, что внутри у него есть полости-камеры, разделенные клапанами. Он же доказал, что в сердце впадают все кровеносные сосуды в организме.

Правда, тот же Эрасистрат искренне считал, что артерии, как и левый желудочек сердца, наполнены воздухом, а не кровью. К тому же он был убежден, что люди вдыхают и выдыхают через поры кожи, и думал, что в сердце есть всего две камеры.

Больше подробностей о том, как Эрасистрат представлял себе работу артерий, можно найти в главе 7. А о том, зачем нужны вены – в главе 3.

По его мнению, предсердия были просто расширениями артерий, впадающих в сердце. Это, кстати, противоречило мнению его коллеги Герофила, который считал, что предсердия – часть сердца, так что камер в нем все-таки четыре.

Исправить ошибку Эрасистрат не успел. Даже в просвещенной Александрии вскрытия разрешалось делать всего 30–40 лет, и вскоре эту практику запретили. С тех самых пор и до эпохи Возрождения, то есть до конца XV века, официально заниматься анатомированием трупов было фактически невозможно. В итоге ошибочное мнение Эрасистрата, что в сердце всего две камеры, продержалось вплоть до XVII века.

Но стоило только религиозным запретам ослабеть, как десятки талантливых людей с энтузиазмом взялись за скальпели. Среди них были не только врачи, но и художники, причем вклад последних в науку об устройстве и работе человеческого тела был едва ли не самым весомым.

Сегодня многие исследователи считают, что первым человеком, оставившим подробные иллюстрации, на которых хорошо видны все четыре камеры сердца, был знаменитый художник XVI века Леонардо да Винчи.

К сожалению для науки, Леонардо да Винчи, судя по всему, был не слишком амбициозным исследователем. Во всяком случае, он так и не передал свои рукописи в печать [5]. Так что даже в знаменитой De humani corporis fabrica Андреаса Везалия[1], вышедшей в свет в 1543 году, которую многие исследователи считают самым первым качественным анатомическим атласом, сердце все еще двухкамерное.

Идея четырехкамерного сердца, которое бьется для того, чтобы разносить кровь по телу, восторжествовала только в XIX веке. Поблагодарить за это мы должны многих ученых, но особенно Ричарда Лоуэра[2]. Считается, что именно он в 1669 году поставил в этом вопросе жирную точку. В дальнейшем анатомы и врачи в основном уточняли строение сердца – например, описали систему коронарных сосудов, питающих само сердце. Но вплоть до начала XIX века, насколько известно, никто не пытался разобраться, почему же оно вообще работает так, как нужно.

Управляющие сердцебиением клетки обнаружил знаменитый чешский анатом и физиолог Ян Эвангелиста Пуркинье (1787–1869) [6]. Это было далеко не первое его открытие. Именно он отыскал тормозные нейроны в коре головного мозга (в честь исследователя их потом назовут нервными клетками Пуркинье), нашел потовые железы в коже, доказал, что экстракты поджелудочной железы влияют на переваривание белков, и сделал еще много всего – например, ввел в научный обиход термин «протоплазма».

Но для нас важнее другое его открытие. В 1839 году Пуркинье вскрыл баранье сердце и обнаружил в стенках его желудочков сеть из серых плоских водянистых волокон. Первоначально исследователь решил, что это хрящевые волокна, но через шесть лет пришел к выводу, что все-таки мышечные. Правда, для чего они нужны сердцу, Пуркинье в то время выяснить не смог.

К ответу на этот вопрос вплотную подобрался английский физиолог Уолтер Холбрук Гаскелл (1847–1914) [7]. Почти всю свою жизнь он посвятил исследованиям кровотока и сердцебиения. Возможно, Гаскелл был первым, кто заподозрил, что сокращениями сердца управляет вовсе не мозг. Вероятно, именно поэтому он в начале 1880 года организовал важный эксперимент: извлек из еще сокращающегося желудочка сердца черепахи полоску мышцы и доказал, что она продолжает сокращаться, хотя ведущие к ней нервы уже обрезаны.

Сердце черепахи оказалось хорошим экспериментальным объектом, ведь оно очень медленно сокращается. Наблюдая за сокращениями, Гаскелл заметил, что волна сокращений зарождается в конкретном месте сердца и постепенно распространяется на другие его части. А что будет, если помешать волне сокращений перемещаться по сердцу?

В 1882–1883 годах он провел серию экспериментов, в которых перерезал или перевязывал мышцы на стыке желудочков и предсердий. Если мышцу перерезали, волны сокращений прекращали распространяться раз и навсегда, а если сначала перевязывали, а потом снимали нитку, – начинали снова. Гаскелл подозревал, что сокращения проводит «особая эмбриональная мышечная ткань», по описанию напоминающая волокна Пуркинье.

Но предполагать и доказать – разные вещи. Эта честь выпала на долю коллег Гаскелла, которые жили и работали уже не в XIX, а в XX веке.

Так почему же оно бьется?

В 1906–1907 годах ответ на этот вопрос дали четыре исследователя [8] – один из них был родом из Японии, второй – из Германии, а двое других – из Великобритании.

Гис: предсердие и желудочки соединяет мышечный пучок, который, возможно, проводит импульсы для сокращения сердца

К ответу вплотную подошел немецкий кардиолог Вильгельм Гис – младший (1863–1934) [9]. Младший – это чтобы не перепутать. Отец Вильгельма Гиса, тоже Вильгельм, к моменту прихода сына в науку уже сделал себе имя как анатом и эмбриолог. Но для начала Гис-младший доказал, что верна миогенная, то есть мышечная, теория сокращения сердца. Несмотря на открытия Гаскелла, во времена Гиса многие анатомы все еще думали, что сердце бьется по прямым приказам мозга, которые тот «спускает» через спинномозговые нервы. Эти взгляды объединяли сторонников нейрогенной теории сокращения сердца.

Примерно с 1888 года молодой исследователь начал использовать в работе эмбриологические методы, разработанные его отцом. Наблюдая за развитием эмбрионов разных животных, Гис обнаружил, что сердце эмбриона начинает биться еще до того, как развиваются спинномозговые нервы. Шах и мат, сторонники нейрогенной теории!

На этом Гис не остановился. В 1893 году он обнаружил мышечный пучок, который объединяет стенки предсердия и межжелудочковой перегородки. Позже его назвали пучком Гиса. Хоть исследователь и предполагал, что мышечный пучок проводит импульсы, заставляющие сердце сокращаться, он не провел никаких экспериментов, чтобы это доказать. А вскоре и вовсе оставил занятия эмбриологией, чтобы стать профессором внутренней медицины и директором клиники в Берлине.

Тавара, Ашофф, Кейт и Флэк раскрывают загадку сердцебиения

Начался XX век, а загадка сердцебиения все еще не была разгадана. И кто знает, когда бы еще человечество разобралось с этим вопросом, если бы не японский патолог и физиолог Сунао Тавара (1873–1952) [10].

С середины XIX века правительство Японии – некогда изолированного от всего мира феодального государства – понемногу начало открывать границы, модернизировать производство и переосмыслять образование. В последнем вопросе японцы ориентировались в первую очередь на Германию: немецкие профессора приезжали преподавать в японские университеты, а японские студенты повалили в немецкие учебные заведения.

Одного из японских студентов, попавших на стажировку в Германию, звали Сунао Тавара. Еще студентом медицинского факультета Токийского университета он заинтересовался анатомией, так что в 1903 году Тавару отправили стажироваться в Институт патологической анатомии Людвига Ашоффа (который жил в 1866–1942 годах) [11]. Ашофф, уже вполне состоявшийся ученый, в то время особенно интересовался физиологией сердца, поэтому новый сотрудник почти с порога получил важное и трудное задание. Тавара должен был исследовать под микроскопом ткани 150 сердец, принадлежавших людям, погибшим от ревматического миокардита. Ему предстояло разобраться, как развивается воспаление мышц сердца при этой болезни. Тавара справился, обнаружив в мышцах сердца небольшие воспалительные участки, с появления которых начинался миокардит. Позже эти участки назвали тельцами Ашоффа.

Но самого Тавару миокардит не так уж интересовал. Он ставил себе более амбициозные задачи: стремился выяснить, зачем на самом деле нужны волокна Пуркинье и пучок Гиса и правда ли, что именно они проводят импульсы, заставляющие сокращаться сердечную мышцу.

Первая цель, которую поставил себе Тавара, – проследить, где заканчивается пучок Гиса. Задача была не из легких: японскому исследователю пришлось кропотливо исследовать под микроскопом тысячи тонких срезов сердца. Но ему было уже не привыкать – в конце концов, чтобы обнаружить тельца Ашоффа, тоже пришлось потрудиться.

В конце концов Тавара обнаружил, что пучок Гиса чем-то походит на дерево. Его «корень» начинается в похожем на узел скоплении клеток у основания перегородки, разделяющей предсердия – сегодня этот участок называют атриовентрикулярным узлом. Из этого узла, как из корня, вырастает «ствол», состоящий из пучка видоизмененных мышечных клеток, утративших способность сокращаться. Этот «ствол» заходит в перегородку, разделяющую желудочки, и делится там на две «ветви» – правую и левую ножки Гиса. Правая ножка заходит в правую стенку предсердия, а левая – в левую. Внутри стенок предсердий ножки Гиса делятся на более мелкие «ветки» – мышечные волокна. Тавара доказал, что это и есть волокна Пуркинье.

Но он не ограничился тем, что собрал в единую систему загадочные мышечные волокна. Тавара предположил – и оказался совершенно прав – что по «дереву» из мышечных волокон, составляющих пучок Гиса, распространяется электрический импульс, который заставляет сокращаться мышцы сердца по направлению от предсердий к желудочкам, как это в свое время показал Гаскелл.

Людвиг Ашофф высоко оценил работу ученика и добился, чтобы ее приняли к публикации. Так что оба исследователя – японский и немецкий – вошли в историю как отцы-основатели электрофизиологии.

И все бы хорошо, но оставался нерешенным один очень важный вопрос: а откуда, собственно, в сердце возникает тот самый электрический импульс, который затем бежит по пучку Гиса? Найти ответ смогли два британских исследователя: анатом и антрополог Артур Кейт (1866–1955) и студент-медик Мартин Флэк (1882–1931) [12, 13].

Артур Кейт заинтересовался анатомией еще во время учебы в медицинской школе при шотландском Университете Абердина. В 1893 году его назначили куратором Музея Королевской лондонской больницы – там он демонстрировал посетителям анатомические препараты.

Человеком он был любознательным, поэтому внимательно следил за новостями анатомии и охотно общался с исследователями. В 1905 году Кейт познакомился с кардиологом Джеймсом Маккензи и вслед за новым другом заболел исследованиями сердечной проводимости.

В конце 1905 года Маккензи показал Кейту статью, посвященную сердечным узлам, и предложил поискать такие же на анатомических препаратах сердца. Кейт согласился, но ничего не нашел, о чем и написал в ответном письме.

Но Маккензи не успокоился и переслал Кейту статью Людвига Ашоффа, посвященную исследованиям Тавары, в которой тот описывал, как пучок Гиса растет из атриовентрикулярного узла. Кейт честно признал свою ошибку, а после обнаружил и саму описанную Таварой систему. Но теперь ему нестерпимо захотелось узнать, откуда же берется электрическая искра, возбуждающая атриовентрикулярный узел.

Сказано – сделано. Летом 1906 года Кейт создал в своем коттедже импровизированную анатомическую лабораторию и позвал в помощники соседского сына Мартина Флэка.

Опираясь на уже опубликованные статьи, энтузиасты предположили, что электрическая искра должна возникать в области, где в правое предсердие впадает верхняя полая вена. Чтобы найти точное место, они сделали тонкие срезы сердца и отправили препараты под микроскоп.

По легенде, Мартин Флэк обнаружил искомый узел, когда его босс с супругой катались по окрестностям на велосипеде. На стыке верхней полой вены с правым предсердием он обнаружил бугорок, очень похожий на узел Тавары. Этот бугорок явно отвечал за что-то важное, потому что к нему шла собственная небольшая артерия.

Но самое важное открытие состояло в том, что к узелку Кейта и Флэка – сегодня мы называем эту анатомическую структуру синоатриальным узлом – были подключены блуждающий и симпатический нервы.

Хорошенько все перепроверив, исследователи пришли к выводу, что нервы – это и есть источник электрической искры, которая разбегается по всему «дереву» Тавары, заставляя сердечную мышцу сокращаться. Наконец-то загадка была разгадана!

Сложим открытия в одну корзину

Сегодня мы знаем, что сердце действительно способно сокращаться самостоятельно, без контроля нервной системы. Но для того чтобы завестись, сердцу, как и мотору в машине, нужна первоначальная искра. В машине искру высекает свеча зажигания, а в сердце за первоначальный электрический импульс отвечают нервы, которые подходят к синоатриальному узлу.

После того как первоначальный нервный импульс задаст ритм, синоатриальный узел становится самостимулируемым, то есть для того, чтобы задавать ритм, ему больше не нужно получать сигналы от нервов. От синоатриального узла в левое предсердие и к атриовентрикулярному узлу бегут мышечные пучки.

Проходя по предсердным пучкам, нервный импульс способствует сокращению предсердий. Затем он добирается до атриовентрикулярного узла, разбегается по пучку Гиса по желудочкам, и они тоже начинают сокращаться. А поскольку до предсердия импульс добирается раньше, чем до желудочков, возникает пауза, столь необходимая для работы сердца.

Как открытие проводящих путей сердца изменило кардиологию

Перечислять, к каким революционным изменениям привели открытия анатомов XX века, можно долго. Расскажем хотя бы о двух из них – об электрокардиографе и электрокардиостимуляторе.

Для начала, открытие подарило врачам возможность читать электрокардиограмму (ЭКГ). Нидерландский физиолог Виллем Эйнтховен (1860–1927) [14] изобрел прототип кардиографа – тогда его называли струнным гальванометром – еще в 1901 году. Но разобраться в записях прибора без открытий Тавары, Ашоффа, Кейта и Флэка все равно не получилось бы.