ELEKTRYCZNE ŻABY

W XVII w. stara, sięgająca jeszcze Arystotelesa i Hipokratesa teoria humoralna nareszcie umierała – choć nie poddawała się bez walki. W odrzuceniu przekonania, że procesy umysłowe i zachowanie związane są z poziomem i przepływem czterech fluidów (humorów) w organizmie: krwi, żółci, czarnej żółci oraz flegmy, dużą rolę odegrały badania układu krwionośnego, zwłaszcza ustalenie przez Williama Harveya, że pompowana przez serce krew krąży po ciele w obiegu zamkniętym.

Upadek przestarzałych koncepcji zrobił miejsce na nowe wyjaśnienia procesów umysłowych. Podwaliny pod taką teorię położył Thomas Willis (1621-75). Czas jego studiów medycznych przypadł na lata rewolucji Cromwella, a o ludzkiej anatomii więcej niż z nielicznych wykładów w przerobionym na garnizon wojskowy Uniwersytecie Oksfordzkim dowiedział się dzięki dostępowi do zwłok osób poległych w walkach lub straconych na szubienicy. Pod jego skalpel trafiały także najróżniejsze zwierzęta, wliczając w to skorupiaki, które – jak zauważa Stanley Finger, historyk neurobiologii – wzbudzały zainteresowanie innych anatomów tylko o tyle, o ile podawano im je w zupie rybnej.

Z czasem Willis zdał sobie sprawę z tego, jak mizerny był ówczesny poziom znajomości budowy mózgu i jak niedokładne opisy stworzyli jego poprzednicy. Zabrał się więc za wnikliwe studia anatomiczne, ukuł kilka do dziś używanych terminów, jak „płat”, „półkula” czy „ciało prążkowane”, a także powiązał (czasem w oparciu o badania post mortem ludzi wykazujących różne deficyty) niektóre funkcje poznawcze z konkretnymi częściami mózgu.

Niektóre jego pomysły były chybione – twierdził np., że okolice czołowe i skroniowe związane są z pamięcią, ponieważ ludzie pocierają te części głowy, gdy próbują coś sobie przypomnieć. Ale uznał też, że struktury znajdujące się w mózgu wyżej muszą odpowiadać za specyficzne zdolności bardziej rozwiniętych gatunków, podczas gdy partie ulokowane głębiej, bardzo podobne u wszystkich stworzeń, muszą wiązać się z podstawowymi funkcjami organizmu. Dziś wiemy, że faktycznie tak jest, a dzięki Karolowi Darwinowi rozumiemy dlaczego.

Duch, fluidy i drgania
Willis zdobywał uznanie nawet u duchownych – nie tylko ze względu na iście ewangeliczny styl życia i zamiłowanie do rozdawania jałmużny. Choć w oczach zwolenników kartezjańskiego dualizmu jego poglądy o ścisłych związkach umysłu i mózgu mogły wyglądać nazbyt materialistycznie, wyróżniał przy tym dwie różne dusze: nieśmiertelną, obecną tylko u ludzi i dla nas nadrzędną, o której rozprawiać mogą jedynie teolodzy, oraz występującą także u zwierząt „duszę bydlęcą” (łac. animus brutum), która odpowiada za procesy poznawcze i rezyduje w mózgu. Najsilniej zakorzeniona jest u jego sklepienia, w korze, gdzie znajdują się silnie ukrwione skupiska istoty szarej. To dusza bydlęca miała jakoś wprawiać ciało w ruch, regulując skurcze mięśni za pośrednictwem nerwów. Tylko, no właśnie, jak?

Badania dotyczące funkcjonowania nerwów nie dotrzymywały kroku ustaleniom w dziedzinie anatomii mózgu. Jeszcze wielu XVIII-wiecznych uczonych powtarzało za Willisem, że nerwy wydzielają jakiś fluid, który np. łączy się z krwią, doprowadzając do niewielkich „eksplozji”, wywołujących skurcze mięśni. Inna teoria mówiła, że w nerwach, niczym krew w żyłach, krąży eteryczna, duchowa substancja transportująca wrażenia do mózgu i kurcząca mięśnie. Trzecie wyjaśnienie, za którym optował sam Izaak Newton, odwoływało się do drgań, które mogłyby, podobnie jak na strunie gitary, rozchodzić się w nerwach i w ten sposób transportować informacje do mózgu. Ale żadnej z tych teorii nie dało się potwierdzić eksperymentalnie.

Jeśli bowiem rozetniemy i ściśniemy mięśnie, to z żadnego nie uleją się resztki fluidu. Jeśli to samo zrobimy w wodzie, to z mięśni nie wydzieli się substancja eteryczna, która mogłaby potwierdzić swoją obecność pojawieniem się bąbelków. Zatem o ile w nerwach faktycznie krąży jakaś tajemnicza substancja, to musi mieć zupełnie inną naturę niż woda czy powietrze. Jaką? Tego nikt nie był w stanie ustalić. Teoria drgań napotyka na jeszcze większe trudności – nerwy nie wyglądają po prostu jak cięciwa łuku czy struna od gitary, na których dobrze rozchodzą się drgania. Jeśli je przeciąć, nie zwiną się, jakby wcześniej były napięte. Wyglądało więc na to, że i ta trzecia uliczka była ślepa.

A może prąd?
Kilkadziesiąt lat po śmierci Willisa, w połowie XVIII w. w nauce zapanowała swoista moda na elektryczność. Rozwinęła się zwłaszcza po skonstruowaniu butelki nazywanej od miejsca powstania lejdejską, będącej prostym kondensatorem – czyli urządzeniem zdolnym gromadzić ładunek elektryczny. Była to zwyczajna butelka pokryta warstwą metalu i wypełniona w środku wodą, w której zanurzony był miedziany drut wychodzący przez korek umieszczony w szyjce butelki. Naładowane urządzenie można było spektakularnie rozładować – np. rażąc prądem trzymających się za ręce ludzi, którzy podskoczą równocześnie, gdy tylko zamknięty zostanie obwód i prąd popłynie.

Pochwycony w butelce lejdejskiej prąd kusił do eksperymentowania również lekarzy i samozwańczych uzdrowicieli. John Wesley, reformator religijny, założyciel kościoła metodystów i amatorski medyk, zalecał w przypadku sparaliżowanej ręki stosowanie terapii prądowej raz dziennie przez trzy miesiące. W swojej książce „Primitive Remedies” wymienił łącznie prawie 300 medycznych przypadłości, które mogłyby być leczone w ten sposób. W zasadzie taka terapia nie była czymś całkowicie nowym w historii medycyny – już w starożytnym Egipcie i Rzymie lekarze przykładali bowiem cierpiącym na bóle głowy pacjentom wytwarzające prąd ryby, z którymi kontakt miał przynosić ulgę.

Trudno się więc dziwić pojawieniu się w takim okresie sugestii, że prąd może mieć coś wspólnego z działaniem nerwów. Choć jeśli tak miało być naprawdę, to dlaczego prąd posłusznie krążył w samych nerwach, a nie przemieszczał się do sąsiadujących tkanek? Wielu uczonych sądziło więc, jak pisze Finger, że elektryczna butelka pomaga pacjentom, ponieważ przechodzący przez ciało prąd przyspiesza wydzielanie przez nerwy fluidów lub ułatwia przemieszczanie się przez nie eterycznego ducha. Potrzeba było dopiero eksperymentów Luigiego Galvaniego, przeprowadzonych w końcówce XVIII w., by tego ducha z nerwów wyegzorcyzmować.

Prawdziwy fluid nerwów
Całe życie związany z Bolonią i pracujący na tamtejszym uniwersytecie, Luigi Galvani był jednym z tych badaczy, którzy dali się porwać modzie na elektryczność w latach 70. XVIII w. W 1791 r. opisał kilka przełomowych eksperymentów, które miały dowodzić, że to prąd faktycznie jest długo poszukiwanym fluidem układu nerwowego.

Nieco wcześniej naukowcy wzięli pod skalpel wytwarzające prąd ryby. Johnowi Wellshowi udało się nawet udowodnić, że generują one taki sam prąd jak ten, który gromadzi się w butelce lejdejskiej (zdolny wywołać iskrę, jeśli do ryby przytkniemy pasek metalowej folii, w którym wykonamy minimalne nacięcie i zamkniemy obwód – wówczas płynący prąd przeskoczy z jednego kawałka folii do drugiego, co można zaobserwować w ciemnym pomieszczeniu). Ciągle to nie był jednak dowód na to, że taki sam prąd płynie w nerwach – tym bardziej u tak różnych od ryb ssaków.

Przełom nastąpił dzięki Galvaniemu. Pewnego razu jeden z jego asystentów zbliżył do nerwu udowego wypreparowanej żaby metalowy skalpel, który trzymał w pobliżu maszyny wytwarzającej napięcie, dzięki czemu z czubka noża spływała niewielka ilość ładunku elektrycznego. Noga żaby drgnęła, podczas gdy tą samą metodą nie dało się pobudzić tkanki mięśniowej. Galvani uznał, że po pobudzeniu nerwu sygnał wędruje w nim samoistnie wskutek własnej aktywności elektrycznej organizmu. „Fluidem” nerwów musi więc być elektryczność.

W kolejnych wersjach eksperymentu człowieka ze skalpelem zastępowały metalowe przewody, zaś maszynę generującą prąd – m.in. piorunochron. Galvani dowiódł w ten sposób, że elektryczość błyskawicy, butelki lejdeljskiej i zwierzęcych nerwów ma tę samą naturę. Jego siostrzeniec i współpracownik, Giovani Aldini, wkrótce później zasłynął pokazami, na których przykładał prąd do mózgu wołu, co wprawiało w ruch usta, uszy czy oczy zwierzęcia, a nawet wywoływaniem w ten sam sposób różnych reakcji mimicznych na… twarzach świeżo zgilotynowanych skazańców.

Jak odnotował XIX-wieczny neurofizjolog Emil du Bois-Reymond, eksperymenty Galvaniego wywołały burzę w świecie naukowym, otwierając drogę do nowoczesnych badań fizjologii układu nerwowego. Pomogły zwłaszcza pogrzebać sięgające starożytności koncepcje fluidów, czy ducha, przeciskających się przez wnętrza nerwów. Zanim jednak się to stało, ich autor musiał zmierzyć się z krytyką jednego ze swoich rodaków – innego wielkiego badacza elektryczności, Alessandra Volty.

Kłamstwo wykryte
Volta, profesor na Uniwersytecie w Pawii, nie był przekonany, że eksperymenty Galvaniego naprawdę dowodzą występowania w nerwach „własnego” prądu elektrycznego. Uważał, że za każdym razem prąd został dostarczony z zewnątrz, np. z metalowego pręta lub noża. W odpowiedzi Galvani przeprowadził eksperymenty, w których całkowicie wykluczył pozabiologiczne źródła elektryczności – np. przecinał rdzeń kręgowy żaby i odciętą końcówkę przykładał do nerwu, co także wywoływało drganie mięśni.

Polemika z Galvanim, choć przegrana przez Voltę, doprowadziła tego drugiego do skonstruowania baterii – tzw. ogniwa Volty, które w krótkim czasie podbiło przemysł i badania nad elektrycznością metali. To on ukuł także termin „galwanizm”, którym zaczęto określać zjawiska przewodnictwa elektrycznego w ciałach zwierząt, a wspomniany Bois-Reymond w połowie XIX w. skonstruował galwanometr – urządzenie do mierzenia tego przewodnictwa. Dziś zmianę oporu elektrycznego skóry pod wpływem wydzielania potu określa się reakcją skórno-galwaniczną. Może ona świadczyć np. o przeżywaniu emocji i jest jednym z podstawowych zjawisk monitorowanych przez wariografy, czyli „wykrywacze kłamstw”.

Ustalenia Galvaniego i Aldiniego w dziedzinie elektrycznych własności układu nerwowego na dobre zadomowiły się także w kulturze. To właśnie one zainspirowały Mary Shelley, autorkę opublikowanej w 1818 r. książki „Frankenstein, czyli współczesny Prometeusz”, której bohaterem jest człowiek ożywiający zmarłych za pomocą prądu. Jednak aż tak przełomowy eksperyment nikomu się jeszcze nie udał.

Korzystałem m.in. z książki Stanleya Fingera „Minds Behind the Brain. A History of the Pioneers and Their Discoveries” (Oxford University Press, 2000).