В лаборатории

Здесь, в лаборатории, мы встретимся со всеми любимыми персонажами физиологических исследований: лягушками, голубями, кошками, обезьянами. Но, разумеется, исследованиям глаза человека ученые уделяют особое внимание и часто проводят опыты на самих себе или на студентах-добровольцах. И хотя опыты бывают очень сложными и утомительными, иной раз трудно сказать, кому интереснее участвовать в них- исследователю или обследуемым.

В лаборатории физиологической оптики уйма самых разнообразных приборов. Здесь, в шкафах и на стендах, расставленных в больших и маленьких комнатах, мы увидим сложнейшие электронные приборы для наблюдения, записи и измерения электрических сигналов в клетках сетчатки, проводящих нервных путях и зрительных центрах мозга; мы увидим сложнейшие оптические приборы, предназначенные для того, чтобы направлять в глаз лучи точно известной яркости и длины волны (цвета), создавать на сетчатке глаза изображения, или же для того, чтобы отбрасывать на экран световой зайчик, скорость и направление движения которого экспериментатор может менять по своему желанию. Не меньше в лаборатории и пришельцев из медицины - хирургических инструментов для проведения тончайших операций на глазе и мозге. Здесь мы увидим и сложнейшую химическую аппаратуру, и совершенные микроскопы для исследований строения глаза, сетчатки, нервных путей и зрительных центров.

В лаборатории физиологической оптики бок о бок трудятся физиологи и врачи, кибернетики и радиоэлектроники, физики, биофизики и биохимики, психологи и математики. По существу, это даже и не лаборатория, а громадный научно-исследовательский институт, где усилия большого коллектива разных специалистов направлены к единой цели. Все они трудятся ради того, чтобы как можно больше узнать о зрении, о его свойствах. Их интересует все: чувствительность глаза к белым и цветным лучам, способность различать два близких по яркости и цвету луча, близкие по форме геометрические фигуры и тела, отыскивать заданные объекты среди множества других и следить за их движением.

Словом, всего не перечесть. Ибо любые знания о глазе, о свойствах зрения ценны не только сами по себе, но всегда имеют важное практическое значение. Они помогают инженерам находить правильные решения тысяч проблем: и выбор наиболее удобного освещения школьных классов, и конструирование систем цветного телевидения, и изобретение космических телевизионных систем... Они помогают врачам излечивать заболевания основных органов чувств человека, его глаз.

Главное, к чему ныне стремятся ученые, работающие в такой лаборатории, это исследовать организацию сетчатки и зрительных центров мозга, нервные процессы в них. Их конечная цель - раскрыть тайну, уже тысячелетия волнующую человечество, они хотят ответить на один из самых трудных и самых коротких вопросов в мире: "Как мы видим?"

Наверное, каждый мечтает первым ответить на него. К этому стремились еще ученые александрийской школы, эпохи Возрождения. В те далекие времена им даже казалось, что они нашли ответ, знают истину или совсем близки к ней. В не столь отдаленные времена многим ученым тоже казалось, что они очень близко подошли к разгадке тайны зрения. Но все они ошибались. Они не могли даже представить себе, сколько еще потребуется узнать всей науке в целом, чтобы достаточно глубоко изучить глаз. Только нынешнему поколению исследователей удалось по-настоящему понять всю сложность и необозримость предстоящей работы, и вряд ли кто теперь ожидает скорой и окончательной разгадки тайны зрения. Быть может, кое-кто из них даже чуточку завидует тем из вас, кто лет через десять-пятнадцать займет их места в лаборатории физиологической оптики. За эти десять - пятнадцать лет наука узнает множество новых удивительных фактов. Но никто не возьмет на себя смелость утверждать, что вам, нынешним школьникам и будущим ученым, доведется совершить то, о чем втайне даже от самого себя мечтает каждый исследователь зрения. Никто не возьмется обещать, что именно вашему поколению удастся разгадать загадку, над которой уже более двадцати веков бьется наука.

Через сколько лет удастся полностью раскрыть тайну зрения - через десять, сто, пятьсот, - никто нынче не знает.

Но не стоит из-за этого разочаровываться в физиологической оптике. Ведь не кажется же вам физика менее увлекательной оттого, что мы никогда не раскроем всех тайн неживой природы. Ведь не ждем же мы от астрономии, этой интереснейшей науки, что она завтра или через год объяснит все тайны мироздания. Мы знаем: звездная наука и через века, даже тысячелетия не сумеет этого сделать. А разве строение глаза и зрительных центров мозга проще Вселенной? Кто осмелится утверждать, что одна-единственная живая клетка устроена проще звезды? Сегодня можно сказать только одно: мы слишком мало знаем о звездах и клетках, мы только начали изучать процессы в звездах и клетках, и мы знаем, что и то и другое - необыкновенно трудное дело.

И все-таки мы свидетели все новых и новых замечательных открытий и в физике, и в астрономии, и в науке о клетке. Не менее важные открытия сделаны и во многих других науках. Наш век вообще богат великими научными открытиями, и это несмотря на то, что теперь никто уже не стремится к полному, всеобъемлющему знанию. В нашем, двадцатом, веке впервые за всю историю цивилизации человечество поняло, что абсолютное знание недоступно никакому разумному существу, ибо знание бесконечно.

Освоившись с этой мыслью, ни человечество в целом, ни каждый из ученых не почувствовали себя бессильными. Наоборот, мысль о бесконечности знания как бы влила новые силы в науку, обновила ее хотя бы уже потому, что каждый ученый теперь верит в возможность все новых и новых открытий, верит, что любой в меру таланта и усердия может внести в науку свой вклад.

И действительно, разве ценность больших и малых открытий в физиологической оптике уменьшается оттого, что никто еще не смог объяснить, как мы видим? Нет! Исследователь, день за днем, год за годом изучающий строение сетчатки или отыскивающий зрительные пигменты в колбочках, не живет зря. Даже самые скромные результаты исследований - необходимый камень в гигантском здании науки.

До чего же интересен и увлекателен этот труд!

Давайте и мы познакомимся с ним. Ведь мы с вами пришли в лабораторию физиологической оптики.

С чего начать наше знакомство? Можно осмотреть лабораторию, потрогать приборы и даже присутствовать на одном из опытов. Но такое знакомство окажется слишком беглым, Не лучше ли попросить разрешения и самим провести хотя бы простенькое исследование? Например, исследовать чувствительность глаза к белому свету.

Нам дают разрешение, но при одном условии: все делать самостоятельно.

Задача известна: требуется исследовать чувствительность глаза к белому свету. Как решать ее? Прежде всего нам надо уяснить себе, что такое чувствительность глаза к белому свету. На первый взгляд тут все понятно. Но так ли это на самом деле? Что такое чувствительность? То ли способность обнаруживать очень слабый, самый слабый из различимых глазом белый (свет, то ли способность замечать небольшие изменения силы белого света. Можно и так и этак понимать слово "чувствительность". Значит, чтобы не было никаких недоразумений, а полученные нами результаты могли воспроизвести в любой другой лаборатории (это непременное условие истинности научного исследования), мы обязаны точно оговорить, что понимается под словом "чувствительность". Давайте условимся, что под этим мы будем понимать способность глаза обнаруживать самый слабый свет, то минимальное его количество, которое, словно порог, разграничивает тьму и свет.

Итак, договорились: будем определять пороговую силу света, то есть такую, при которой глаз впервые почувствует белый свет.

А что такое белый свет?

Белый? Это же очень просто! Белый... Ну, лист бумаги, свежий снег, мел и многое другое.

Но всегда ли они белы? Если лист бумаги осветить оранжевым светом, какого он станет цвета? Оранжевого. Значит, снова надо договариваться. И прежде всего о том, чтобы не смешивать двух понятий: света и цвета. Ведь, говоря о бумаге, снеге, меле, мы имели в виду их цвет. А свет, хотя и может быть красным, синим, зеленым, оранжевым, не есть цвет. Так что же все-таки такое белый свет? Нельзя ли сказать, что белый свет - это тот, который, падая на бумагу, снег, мел, окрашивает их в белое? Нет. Подобное определение белого света столь же бессмысленно, как и попытка поднять себя за волосы. Разве можно определять белый свет через наше собственно зрительное восприятие, то есть именно через то, что нам еще неизвестно и что мы как раз и собираемся исследовать? Значит, нам требуется такое определение белого света, которое одинаково устраивало бы всех, несмотря на те или иные особенности зрения каждого из нас.

Может быть, следует принять за образец белого света дневной? Это хорошая мысль. Но ее надо продумать детально. Не стоит забывать, что дневной свет зависит и от погоды, и от прозрачности атмосферы, и от времени суток. Да и не очень-то удобно выбирать наше дневное светило в качестве источника света - сегодня оно светит, завтра прячется в облаках, а вечером и ночью его вовсе нет. Не лучше ли взять в качестве источника белого света электрическую лампу? Это тоже хорошая мысль. Но и она требует уточнения, так как яркость и цвет свечения волоска электрической лампы зависят от силы тока, проходящего через волосок. Значит, надо, чтобы через электрическую лампу во время опыта проходил строго определенный и неизменный ток. Обычная электрическая лампа имеет и другой важный недостаток. Ее яркость непрерывно снижается даже при неизменном токе, с раскаленного волоска все время отделяются атомы вольфрама и оседают на стеклянной колбе, уменьшая ее прозрачность. Выходит, и обычная электрическая лампа тоже не годится.

К счастью, инженеры позаботились о том, чтобы всегда иметь под рукой источник белого света. Они создали специальные эталонные лампы. Они же подумали и о том, как превратить их желтоватый свет в белый дневной: свет от эталонной лампы пропускают через специальный светофильтр; пройдя через него, он становится белым.

Итак, мы договорились, как понимать слово "чувствительность" и слова "белый свет".

Можно ли теперь начать испытания?

Нет. Мы еще не имеем возможности менять силу света. А без этого не определишь чувствительности. Как же менять ее? Мы теперь знаем: ток через эталонную лампу должен быть строго определенной и неизменной величины, иначе мы не сможем получить белого света. Поэтому от регулировки света путем изменения силы тока придется отказаться.

Как же быть? Не подскажет ли нам наша учительница-природа какого-нибудь способа регулировки света? Думаю, вы уже догадались, о чем пойдет речь. Конечно, о зрачке, о диафрагме. Мы вполне можем применить диафрагму для регулирования света. Но природа никогда не заботилась о высокой точности работы зрачка. Не нужна особая точность регулировки света и в фотоаппаратах. Зрачок, диафрагма позволяют изменять свет малыми точными дозами лишь в сравнительно небольших пределах. А нам как раз нужно изменять свет точными малыми ступеньками и в довольно широком диапазоне. Выбор устройства для регулировки силы света может послужить хорошим примером того, что не следует слепо копировать природу. Подражать природе нужно только в тех случаях, когда стоящая перед нами задача и задача, решенная природой, одинаковы. Диафрагму для фотоаппарата стоило скопировать со зрачка глаза, потому что ни в глазу, ни в фотоаппарате не нужно регулировать свет, проходящий через диафрагму или зрачок с аптекарской точностью. В наших опытах нужна исключительно высокая точность. Пользуясь диафрагмой, ее трудно будет достичь. Поэтому стоит поискать какое-нибудь другое устройство регулировки света, более подходящее для решения нашей задачи.

Один ум - хорошо, а два - лучше. Нужно ли самим изобретать все с самого начала? Ведь мы не всеведущи. Не лучше ли посоветоваться со специалистом-оптиком? В лаборатории физиологической оптики наверняка есть такие специалисты. Без них здесь не обойтись. Давайте постучим в соседнюю дверь. Там работают те, кто нам нужен, - инженеры-оптики. Они всегда помогают исследователям правильно ставить опыты, конструируют новую оптическую аппаратуру для исследований; они помогут и нам.

Выслушав нас, инженер-оптик не станет долго раздумывать. Ему не раз приходилось сталкиваться с подобной задачей и решать ее. У него даже найдется уже готовое устройство для точной регулировки света. Он подойдет к одному из шкафов, достанет небольшую картонную коробку и протянет ее нам. В коробке, аккуратно завернутая в вату, лежит вытянутая треугольная призма. От обычных оптических призм она отличается тем, что сделана из специального, сильно поглощающего свет стекла. Такая призма называется оптическим клином. У вершины, там, где слой стекла сходит на нет, оптический клин совсем прозрачен; но чем ближе к основанию, чем толще слой стекла, тем меньше его прозрачность. Оптический клин очень удобен для изменения силы света небольшими и точными порциями. Если же ослабления света с помощью оптического клина будет недостаточно, оптик посоветует поставить на пути света дополнительные ослабляющие фильтры, так называемые нейтральные светофильтры - дымчатые стекла, подобные серым, не искажающим цвета стеклам защитных очков. Нейтральные светофильтры убавляют свет в точно известное число раз. Вместо них можно ставить и диафрагму: в данном случае от нее не требуется менять свет точными малыми порциями, а раз так, то и она будет вполне пригодна.

Вот каким в принципе должен быть наш прибор. В действительности он гораздо сложнее. Кроме эталонной лампы, оптического клина и светофильтров, в нем имеется специальный и очень точный механизм для перемещения оптического клина. Поворачивая ручку этого механизма, мы меняем силу света. При этом на специальном циферблате передвигается стрелка, она показывает истинное значение силы попадающего в глаз света. Кроме того, прибор сделан так, чтобы во время опыта в глаза испытуемого не попадал посторонний свет.

Условная схема прибора для исследования чувствительности глаза

Подобные приборы имеются во всех лабораториях физиологической оптики. И все-таки мы не зря занялись изобретательством. Ведь наша цель - познакомиться с трудом исследователей; мы решили хотя бы на время превратиться в сотрудников лаборатории физиологической оптики. А им часто приходится не только проводить опыты, но и в содружестве с инженерами изобретать нужные для исследований приборы. Так в свое время появился на свет и прибор для исследования чувствительности глаза. Кто-то когда-то изобрел его и построил. И ход мыслей у этого изобретателя в основном был схож с нашим.

Теперь можно начинать опыты. Попросим приятеля быть подопытным. А затем поменяемся с ним ролями. Кому же не хочется знать истинную чувствительность собственных глаз?

Как проводить исследования с помощью нашего прибора?

Можно это делать несколькими способами, но во всех случаях мы должны направить свет, выходящий из прибора, в глаз, а потом менять силу света. Для начала установим совсем малую силу, чтобы наш приятель заведомо не мог увидеть свет.

Начинаем. Все готовы?

Нет! Ведь мы собираемся определять наивысшую чувствительность глаза, а это значит, что в палочках должен полностью восстановиться родопсин. Перед началом опыта нашему приятелю придется посидеть около часа в полной темноте.

Наконец можно начинать. Медленно поворачиваем ручку регулировки силы света. Мы поворачиваем ее совсем ненамного, останавливаемся на несколько секунд и ждем. Если приятель молчит, снова чуточку увеличиваем силу света и снова ждем. Так постепенно, не торопясь, мы все увеличиваем и увеличиваем силу света. И вдруг приятель говорит: "Вижу". По циферблату мы определяем показание и записываем его. Потом убавляем свет, а потом опять медленно увеличиваем его до тех пор, пока он не станет различим. Так мы проделаем раз десять и лишь после этого окончим опыт.

Давайте теперь посмотрим наши записи. Результаты замеров чувствительности окажутся неодинаковыми, они несколько отличаются друг от друга. Это и не удивительно. Точно определить, когда тьма переходит в свет, глаз не в состоянии. Один раз он сделает это при более слабом свете, в другой - при более сильном. Поэтому значение наименьшей силы света мы вычислим, как среднее из всех проведенных измерений.

Еще больше будут различаться результаты испытаний, если в них примут участие не один, не два, а много человек. Чувствительность зрения у одних будет выше, чем среднее значение, у других - ниже. Говоря о чувствительности глаза к белому свету, мы обычно называем некоторое среднее значение, полученное в результате обследования многих людей.

Но не будем отвлекаться от опытов. Теперь пришла пора поменяться ролями с приятелем. Придется и вам поскучать в темноте целый час. Вам не хочется терять время? Тогда поставим опыт иначе. Побудьте минут двадцать на ярком солнечном свете, а затем сразу же садитесь за аппарат.

Внимание! Начали! Увеличиваем силу света. В ваш глаз попадает из аппарата уже довольно сильный свет, но вы не замечаете его. Увеличим силу света еще больше. Наконец вы замечаете свет. Ваш приятель записывает показание стрелки на циферблате. По секундомеру он отсчитывает время и ровно через минуту снова проводит измерение. Результат уже получается иным. Через минуту глаз заметил более слабый свет. Еще через минуту чувствительность глаза снова возрастет. Так, минута за минутой, станем повторять замеры. В первые пять минут чувствительность будет расти очень быстро, но затем увеличение замедлится и даже совсем прекратится. Чувствительность будет оставаться постоянной примерно с седьмой до восемнадцатой минуты эксперимента. В эти одиннадцать минут происходит смена караула - колбочки передают вахту палочкам. Палочки включаются в работу на девятнадцатой минуте, и чувствительность снова начнет расти. Ее подъем продлится еще двадцать - сорок минут. А дальше, сколько бы мы ни ждали, чувствительность уже не изменится. Она достигает наивысшей точки в среднем через час после того, как мы с яркого света попадаем в полную темноту.

Именно такой опыт и позволил узнать, за сколько времени полностью восстанавливается чувствительность глаза к белому свету.

Не так давно ученые поставили несколько иной опыт. Вы, конечно, помните о свечении глаз. Вспомнили об этом и ученые. И решили впустить в глаз тоненький лучик света, так, чтобы он отразился в специальный электронный прибор, который измерял бы отраженный свет. По предположениям ученых, отраженный свет должен меняться по мере того, как в палочках будет накапливаться восстановившийся родопсин. Эти предположения полностью подтвердились. Интересно, что в темноте кривая восстановления родопсина и кривая восстановления чувствительности глаза совершенно одинаковы. А это лишний раз говорит в пользу того, что мы видим благодаря реакции разложения родопсина в палочках.

Имея прибор, исследовать чувствительность глаза человека к белому свету не очень-то трудно. Но как быть, если нам нужно провести опыты над животными? Они не понимают, чего мы хотим от них, и не могут сказать, что видят свет.

К счастью, после работ Павлова любой физиолог знает, как выпытать все необходимые ему сведения у бессловесных животных. Правда, для этого ему нужно приобрести еще одну специальность: он должен стать дрессировщиком. Конечно, от него не требуется таланта Дурова, но он должен очень тщательно продумать, что хочет узнать от животного, и суметь заставить животное вести себя так, чтобы это поведение красноречивее всех слов рассказывало исследователю о том, что его интересует.

Наша вторая работа в лаборатории - исследование чувствительности к белому свету глаза голубя.

Однако прежде чем проводить опыты, нужно подготовить наш прибор и сделать специальную клетку для голубя. В одной из стенок клетки мы сделаем иллюминатор со стеклянным экраном, на который будет падать луч света из прибора. Ниже иллюминатора установим автоматическую кормушку. Она будет открываться только в том случае, когда голубь станет правильно выполнять то, что потребуется от него во время опытов.

Цирковые дрессировщики не учат птиц летать, тюленей плавать, обезьян раскачиваться на трапеции. Они знают, что зрителей этим не удивишь. И каждый из дрессировщиков старается научить животных чему-нибудь забавному: на манеже морские львы жонглируют мячами, медведи разъезжают на мотоциклетах, лошади танцуют, слоны играют на шарманках и стоят на передних ногах. У нас другая цель, мы не потребуем от голубя ничего сверхъестественного. Во время опытов он должен будет делать то, что более всего свойственно ему и в обычных условиях.

Какая же деятельность наиболее свойственна голубю?

Доставка почты? Просто полет? Ни то, ни другое. Главное в его жизни - поиски пищи. Чтобы прокормиться, он целыми днями выискивает крошки хлеба и зернышки. Вот это свойство голубя мы и используем. В ходе опыта мы потребуем от него только одного - клевать. Но не пищу, а экран иллюминатора, когда он увидит на нем пятнышко света.

Возможно ли заставить птицу, не отличающуюся умом, делать это?

Теперь отложите на некоторое время книгу и попытайтесь продумать способ дрессировки, или, если хотите, тренировки, птицы и весь ход эксперимента. Напоминаю: наша задача - выяснить чувствительность глаза голубя к белому свету. Не жалейте времени и запишите по этапам ход решения этой задачи, а уж потом сверьте с ответом в книге. Не спешите, постарайтесь ничего не упустить, учесть заранее все необходимое для успешного осуществления опыта. Чтобы вам легче было представить задачу, посмотрите фотографии, сделанные во время тренировки голубя (в конце книги). Надеюсь, что вы последовали моему совету и уже решили задачу. Не беда, если ответ в точности не сойдется с моим. Если вы нашли правильный путь, значит, и задачу решили правильно. Ведь задача не арифметическая, и отдельные действия могут отличаться. Важен, как говорят, принцип. А он вполне ясен.

Программа опыта

Его основа - терпение. Чем терпеливее мы будем обращаться с нашим подопытным голубем, тем скорее добьемся нужных результатов.

В нашей лаборатории физиологической оптики к услугам исследователей любые животные. Достать здесь голубя очень просто. Для этого нужно лишь перейти в другой корпус, где содержат подопытных животных, и выбрать одного из голубей. Чтобы во время работы он был покладистее, заставим его поголодать, а потом перенесем в специальную клетку.

Чтобы голубь мог легко ориентироваться в незнакомой клетке, мы пока не будем затемнять ее. Через некоторое время, когда голубь привыкнет к новой обстановке, он сумеет выполнять все, что требуется, даже в полной темноте. А пока нам и самим удобнее наблюдать за ним при свете.

Итак, голубь в "классе". Можно начинать обучение. Насыплем в автоматическую кормушку зерно, с помощью нашего прибора направим на экран иллюминатора яркий, хорошо заметный луч света и будем наблюдать за птицей. Привыкнув к клетке, голодный голубь обязательно начнет искать пищу. Он будет клевать все, что хотя бы отдаленно напомнит ему зернышко. И конечно, не оставит без внимания и яркое пятнышко света на экране иллюминатора. Рано или поздно он обязательно клюнет его. И тогда в награду откроется на несколько секунд автоматическая кормушка с зерном.

Птица обязательно заглянет в нее и, прежде чем кормушка закроется, успеет склевать несколько зернышек. Но голубь не насытится столь малой порцией. С еще большим упорством возобновит он поиски пищи. Он, разумеется, не разобрался, за что получил поощрение, но световое пятнышко снова привлечет его внимание, а за ударом клюва по пятнышку снова откроется кормушка.

Так, попытка за попыткой, мы приучим птицу к тому, что клевок по экрану открывает кормушку. Но нам надо приучить голубя клевать экран только в том случае, если он видит на нем световое пятнышко. Выключим свет. Голубь все равно клюнет экран. Но кормушка не откроется. Клюнув несколько раз в погасший экран и не заработав ни зернышка, голубь перестанет это делать. Тогда мы снова пошлем в иллюминатор свет, и в ответ на клевок кормушка наградит голубя зернами. Проделав это упражнение несколько десятков раз, мы приучим голубя ударять клювом по экрану только в том случае, когда он действительно видит свет.

Вот теперь можно начать опыт. Подержите голубя в темной клетке, пока его глаза не привыкнут к темноте, или проводите опыт через короткие и равные промежутки времени, сначала действуя более сильным, а затем более слабым светом.

Поступает ли голубь сознательно в наших опытах?!

Разумеется, нет! В том смысле, в каком мы, люди, понимаем это слово, голубь не может действовать сознательно. Однако вполне можно сказать, что он научился поступать нужным нам образом, что в его мозгу образовались определенные связи между световым пятном и кормом, или, иными словами, у голубя выработался условный рефлекс на световой раздражитель. Инженер то же самое скажет иначе: голубь реагирует на световые сигналы совершенно определенным и неизменным образом.

Обученный таким способом голубь - великолепный работник. Он без устали в течение нескольких часов может зарабатывать себе на пропитание, он будет внимательно ждать появлений светового пятнышка, получать за труд и снова ждать. Такой голубь нередко оказывается более внимательным участником опытов, чем человек, и часто делает меньше ошибок.

Проведя опыт многократно, мы выясним, что чувствительность зрения голубя к белому свету уступает чувствительности зрения человека.

Пользуясь методом выработки условных рефлексов, можно изучать зрение самых разнообразных животных. В ряде случаев методом условных рефлексов можно изучать и зрение человека. Этот метод совершенно безвреден и подчас помогает выяснить то, что, полагаясь лишь на разум человека, не всегда можно узнать.

И все-таки как ни хорош метод условных рефлексов, он применим не всегда. С помощью условных рефлексов ученые могут узнать у животных, насколько чувствительно их зрение к свету и цвету, к мельканию света, выяснить, могут ли они различать сходные по форме геометрические фигуры И предметы, как они воспринимают глубину пространства, и многое другое. Короче говоря, метод условных рефлексов позволяет очень точно исследовать свойства зрения. Но когда нас интересуют зрительные процессы в сетчатке и в мозге, условные рефлексы мало чем могут помочь.

Вы уже знаете, что палочки и колбочки сетчатки связаны с нервными клетками, посылающими в зрительные центры мозга электрические импульсы - сигналы. Но одно дело - прочитать об этом в книге, другое - выведать у природы. Как же удалось это сделать ученым? Как исследуют они процессы в нервных клетках сетчатки и зрительных центров мозга? Чтобы лучше понять это, проведем одно из таких исследований. Как и прежде, мы будем исследовать чувствительность глаза к белому свету. Но на этот раз постараемся выяснить, что происходит в сетчатке под воздействием света; попытаемся доказать, что электрические импульсы действительно являются сигналами о свете.

Убедиться в существовании электрических импульсов, в том, что они действительно являются сигналами о свете, мы сможем и на примере зрения весьма примитивного животного. Мы проведем свой эксперимент на давних знакомцах физиологов - лягушках.

Однако не следует думать, что глаз лягушки - всего лишь учебный объект, на котором практикуются студенты. Известно, что шансов открыть основные законы зрительного процесса больше у тех ученых, которым удастся найти наиболее простой по устройству глаз и наиболее простые зрительные центры. Глаз лягушки именно таков. Сетчатка лягушки в основе своей устроена так же, как и сетчатка более высокоорганизованных животных, но она гораздо проще. Правда, эта простота весьма относительна, в сетчатке лягушки содержится "всего лишь" около миллиона палочек и колбочек, а волокон в зрительном нерве примерно полмиллиона. Но благодаря исследованиям на лягушке в начале шестидесятых годов ученым впервые удалось понять, какие сигналы посылает в мозг сетчатка, о чем эти сигналы рассказывают мозгу.

Прежде чем приступить к опыту, мы должны запастись дополнительной аппаратурой. Мы уже немного познакомились с ней, читая об исследованиях бинаурального слуха кошки. Это электронный осциллограф для наблюдений электрических импульсов, электронный усилитель, усиливающий импульсы, поступающие по проводам с электродов, это сами электроды - тончайшие стеклянные трубочки, заполненные специальным электропроводящим раствором.

Перед опытом лягушку необходимо поместить на несколько часов в полную темноту. А пока в сетчатке восстанавливается зрительный пигмент, не будем терять времени даром. За эти несколько часов мы научимся управлять новыми приборами.

Когда лягушка будет подготовлена, нам останется только ввести электрод в сетчатку лягушки, направить в глаз луч от нашего прибора и наблюдать на экране осциллографа, что происходит в нервном волокне.

Но как проникнуть к зрительному нерву? Мы можем полностью удалить глаз и зрительный нерв лягушки. Но, думаю, вам больше понравится другой способ. Операции не удастся избежать и в этом случае, однако глаз останется на месте, и опыт будет более бескровным.

Во время опытов исследуемый глаз должен быть недвижим. Привязывать лягушку нет смысла, усыплять с помощью наркотиков нельзя - они влияют на нервные клетки сетчатки, на их работу.

Как же обездвижить лягушку и в то же время не нарушить нервных процессов в сетчатке и зрительных центрах мозга?

Многие из вас, вероятно, слышали о кураре - знаменитом яде, который южноамериканские индейцы наносят на наконечники небольших стрелок, пускаемых из духовых трубок. Стрелка с капелькой кураре на наконечнике вернее стрелы, пущенной из боевого лука, вернее пули поражает животное. Кураре не убивает сразу, он не отравляет внутренних органов, не подавляет работы органов чувств и мозга. Он влияет лишь на окончания нервов, по которым из центральной нервной системы поступают команды в мышцы. Под действием кураре животное полностью парализуется, мышцы его расслабляются, смерть наступает от паралича дыхания.

Химикам удалось синтезировать яды, подобные кураре. К счастью, их назначение не убивать, а помогать врачам. Приступая теперь к операции, хирург не только усыпляет больного, но в ряде случаев вводит в его кровь кураре. Это значительно облегчает проведение сложных операций.

Поможет кураре и нам. Благодаря кураре мы сумеем поставить опыты значительно более достоверные и точные. Вырезав у лягушки глаз и нерв, мы заведомо идем на то, что они вскоре же погибнут. По существу, глаз и нерв начнут умирать сразу же после удаления. И следовательно, процессы в них, те самые процессы, которые мы намерены изучать, очень скоро начнут нарушаться и уже не будут такими, как в здоровом глазу. Если же мы захотим изучать процессы не только в сетчатке, но и в зрительных центрах мозга, удаление глаза вовсе невозможно. Введя не смертельную дозу кураре в кровь лягушки, мы разом решаем много проблем. Кураре обездвижит лягушку, и, значит, не потребуется вырезать глаз. Глаз будет нормально снабжаться кровью, и нервные процессы в нем и в зрительном нерве будут протекать нормально. Поэтому глаз кураризированной лягушки мы можем использовать в опытах значительно более долгое время. И это тоже очень важно, потому что, проводя эксперименты на одном и том же глазу, мы сможем добиться более точной воспроизводимости результатов при проведении повторных экспериментов, а это, как мы уже знаем, одно из самых основных условий научных исследований.

Но небольшую операцию придется провести и в этом случае - необходимо открыть доступ к сетчатке для электродов. Удалим на одном из глаз роговицу, хрусталик и стекловидное тело, а потом с помощью специальных приспособлений введем электрод в зрительный нерв.

Теперь все готово, можно начинать. Включаем осциллограф. На его экране мерцает гладкая прямая линия. Внимание! Включаем свет! И тотчас прямая линия ощетинивается узенькими импульсами; целый частокол вырос на экране. Это по нервному волокну побежали в мозг сигналы о том, что в глаз попал свет.

Вот мы и доказали существование электрических импульсов в волокнах зрительного нерва и убедились, что возникают они под воздействием света, направленного в глаз лягушки.

Скажем прямо: нам здорово повезло. С первого раза удалось обнаружить именно такое нервное волокно, по которому в мозг идут импульсы, сообщающие о появлении света. А вообще-то мы могли и не обнаружить его сразу, потому что далеко не всякое из полумиллиона волокон проводит импульсы в момент появления света. Мы могли бы провести десятки, сотни, даже многие тысячи опытов, прежде чем увидели бы импульсы на экране осциллографа при подаче света в глаз лягушки. Но такова уж привилегия читателя: в книге всегда все получается гораздо проще, чем в жизни.

В жизни было очень трудно найти такие волокна. Ведь сетчатка не просто сообщает мозгу о том, что в ту или иную палочку или колбочку попал свет. Все обстоит неизмеримо сложнее, ибо сетчатка - совершенное и на редкость сложное устройство первичной переработки зрительной информации. До недавнего времени никто из инженеров даже и не помышлял сделать в технике что-либо подобное.

Судите сами: в сетчатке человека 137 миллионов палочек и колбочек, а волокон, проводящих в мозг сигналы от светочувствительных клеток, всего миллион. Значит, прежде чем послать сигналы в миллионно-жильный кабель, сетчатка должна так обработать их, чтобы выбрать из сигналов от палочек и колбочек все необходимые мозгу сведения, а уж потом передавать их. С помощью нервных клеток разных типов сетчатка как бы спрессовывает все 137 миллионов первичных сигналов, преобразует их всего лишь в миллион. В сетчатке лягушки на одно волокно зрительного нерва приходится в среднем всего по две светочувствительные клетки. То есть первичные сигналы она, грубо говоря, спрессовывает, сжимает всего лишь вдвое, в то время как в сетчатке человека "сжатие" достигает 137-кратного. Ясно, что устройство обработки сигналов, сжимающее их вдвое, значительно проще устройства, сжимающего сигналы в 137 раз. И действительно, сетчатка лягушки значительно проще человеческой. Именно поэтому ее уже удалось изучить лучше.

Но и она устроена необыкновенно сложно. Если бы мы могли продолжить исследования сетчатки лягушки, то обнаружили бы удивительно интересные вещи. Но более не стоит продолжать опыты. Ведь у нас слишком мало знаний, чтобы всерьез браться за такую работу. Да и цель нашего посещения лаборатории была совсем другой: мы просто хотели поближе познакомиться с трудом исследователей, понять, как добиваются они от природы ответов на заданные ей вопросы.

Пожалуй, нам уже пора покинуть гостеприимную лабораторию и продолжать бионное путешествие. Но прежде чем мы двинемся дальше, я коротко расскажу вам, что узнали о сетчатке лягушки ученые, среди которых были Питс и Маккаллок - один из виднейших американских биоников.

Как и у других животных, в сетчатке лягушки содержатся не только светочувствительные клетки - палочки и колбочки, но и связанные с ними нервные клетки трех разных типов. Эти-то клетки и производят первичную переработку сигналов от палочек и колбочек, или, как говорят инженеры, кодируют их. Только после кодирования сигналы по нервным волокнам поступают в мозг лягушки. Зрительные нервы, подобно нервам слуховым, тоже перекрещиваются в мозгу. За перекрестком часть нервных волокон из правого глаза направляется в левый зрительный бугорок, часть - в правый. Таким же образом разветвляются волокна от левого глаза. Кроме того, часть нервных волокон из обоих глаз попадает в средний мозг.

В зрительном нерве лягушки имеется пять типов волокон.

К самому внешнему слою зрительных бугорков подходят волокна, по которым сигналы идут только в том случае, когда в поле зрения лягушки оказывается четкая граница между светлым и темным участком изображения. Граница может быть недвижимой, а может и перемещаться - сигналы в мозг пойдут и в том и в другом случае.

К следующему слою подходят волокна, сообщающие об очень важных для лягушки объектах, в сущности, эти волокна кормят ее. По ним в мозг поступают сигналы о насекомых, попавших в поле зрения. Сигналы по этим волокнам идут только в том случае, когда на сетчатку попадает изображение небольшого темного объекта овальной формы с угловым размером от 1 до 3 градусов. В жизни лягушки объектами такой формы могут быть только насекомые. Сигналы наиболее сильны, когда насекомое движется от периферии поля зрения к центру. Но если оно остановится, замрет, сигналы прекратятся. А это означает, что лягушка не видит неподвижных насекомых, не видит неподвижных мелких предметов. Как шутливо заметил один из ученых, она может умереть с голоду, даже если вокруг нее будет полно дохлых насекомых. Если бы во время опыта мы обнаружили нервное волокно первого или второго типа, мы не увидели бы сигналов на экране осциллографа, вместо частокола импульсов на нем по-прежнему была бы гладкая прямая линия. По волокнам этих двух типов сигналы не передаются ни при включении, ни при выключении света, они, как мы знаем, нужны для другого. Зато в третий слой зрительных бугорков приходят волокна, по которым в мозг посылаются сигналы и о включении и о выключении света. Особенно сильные сигналы идут по этим волокнам, когда в поле зрения лягушки перемещаются узкие вытянутые предметы.

Лягушка

К самому глубокому слою зрительных бугорков подходят волокна, передающие только сигналы о выключении света.

По волокнам, связывающим сетчатку глаза со средним мозгом, сигналы также передаются только о включении или выключении света, причем наиболее сильные сигналы возникают под воздействием не белого, а голубого света.

Интересно отметить, что скорость бега импульсов сигналов по разным волокнам зрительного нерва не одинакова. Быстрее всего движутся импульсы по волокнам, идущим в самый глубокий слой; медленнее всех - импульсы, поступающие в поверхностный слой.

В свое время мы уже пытались вообразить, каким представляется мир летучей мыши, голохвосту и некоторым другим животным, обладающим необычными органами чувств. Мы уже знаем, насколько это трудно. А теперь попробуем взглянуть на мир глазами лягушки - обычными в нашем понимании органами чувств, реагирующими на тот же самый свет, что и наши глаза, и в принципе весьма схожими с ними. И мы сразу поймем, что мир, видимый лягушкой, тоже трудно себе вообразить, что он совсем не похож на привычный нам мир. И очень жаль, что наше воображение отказывается служить нам. Если бы мы могли зримо представить себе, как видит лягушка, нам гораздо проще было бы исследовать ее сетчатку и зрительные центры мозга.

Вот вкратце и все, что известно на сегодня о том, как кодируются сигналы от палочек и колбочек в сетчатке лягушки.

Много ли это?

И много, и мало. Много - потому что выяснение принципов кодирования изображения в сетчатке лягушки впервые открыло перед инженерами реальные возможности построения бионных зрительных автоматов, действующих по принципу глаза лягушки. А мало - потому что даже и о сетчатке лягушки предстоит узнать гораздо больше того, что известно ныне. Зрительные же процессы не кончаются сетчаткой; в ней они лишь начинаются. Основные процессы протекают в мозге. О них мы не знаем практически ничего.

"Скорее! - требуют инженеры. - Скорее исследуйте эти процессы и расскажите нам их принципы! Они позарез нужны нам! Без них тормозится решение насущнейших задач!"