От рыб до стимуляции мозга: как человечество пыталось победить боль с помощью электричества

Боль — неотъемлемая часть нашей жизни не только в метафорическом, но и в прямом смысле: она необходима для выживания. Если бы не боль, мы не могли бы отличить безопасные ситуации от опасных. Именно боль с самого детства подсказывает, что следует отдернуть руку от огня; более сложные эмоции, например предчувствие боли, помогают избежать ведущих к ней ситуаций.

Да, это неприятно, но если боли нет совсем, это говорит о серьезном нарушении в работе нервной системы. Человек с редкой болезнью — врожденной нечувствительностью к боли, которая встречается у одного на миллион, — сильно рискует здоровьем и даже жизнью. У носителей такого заболевания ожидаемая продолжительность жизни в среднем гораздо меньше. Очевидно, они могут избегать травм, просто запоминая, что тот же огонь опасен, но даже такие неочевидные вещи, как слишком долгое нахождение в одной и той же позе, могут привести к серьезным последствиям.

Чтобы не повредить суставы, некоторым пациентам с врожденной нечувствительностью к боли приходится заводить будильник, который напоминает, что надо сменить позу.

Однако остальным, чтобы избавиться от боли, во многих случаях недостаточно, условно говоря, отдернуть руку от огня. При мигренях, хронических и висцеральных болях человек продолжает страдать. Человечество с самых ранних пор пыталось объяснить, что такое боль, и найти освобождение от нее, даже несмотря на то, что никто толком не понимал, как и почему она появляется.

Аристотель в IV веке до нашей эры считал боль эмоцией, живущей, как и все прочие эмоции, в сердце. Веком позже Гален, известный александрийский врач и хирург, не согласился с Аристотелем и экспериментально доказал, что главным органом чувств является мозг, который отвечает в том числе за боль. Персидский врач Авиценна (Х век нашей эры) пошел дальше и заметил, что боль отличается от других чувств вроде тактильных ощущений или температуры. Его взгляды оказались довольно близки концепции природы боли, к которой пришли ученые в XVIII–XIX веках. Но как эту проблему решали в более ранние времена, за десятки тысячелетий до нашей эры?

Идеи древних египтян, а вслед за ними греков и римлян, были довольно радикальными: для лечения некоторых типов боли использовались электрические рыбы, которых можно было легко выловить из Нила.

Электрических рыб делят на слабых и сильных. Сильные (электрические сомы и скаты) генерируют разряды мощностью до нескольких сотен вольт, чтобы парализовывать жертв, а также защищаться. Слабые же генерируют разряды до 1 вольта, которые не способны никому повредить: рыбы используют их для коммуникации, навигации и обнаружения жертв. Для терапии люди применяли только «сильных» электрических рыб.

Первые косвенные свидетельства того, что нильских электрических сомов использовали в медицинских целях, ученые обнаружили в Древнем Египте на настенных рисунках, датированных 2750 годом до нашей эры. Кроме того, в древнеегипетских захоронениях находили мумифицированных электрических сомов. Некоторые ученые предположили, что сома вкладывали к умершему, чтобы тот в загробной жизни мог воспользоваться им для избавления от боли, однако доказательств этому нет.

Электрический заряд, генерируемый сомом, может достигать 350 вольт — не исключено, что такая электротерапия порой избавляла от боли не только эффективно, но и навсегда.

Судьба электрических рыб и скатов была незавидной: Гиппократ обнаружил их питательные свойства гораздо раньше электрических и советовал пациентам с пищеварительными проблемами есть вареное мясо этих рыб. Древние племена Северной Америки употребляли ската в качестве афродизиака. Восточные авторы приписывали плоти электрического ската более романтические свойства: считалось, что, если один из супругов будет носить с собой кусочек этой рыбы, партнеры будут неразлучны.

Первые задокументированные свидетельства того, что электрических скатов использовали для облегчения боли, встречаются в труде римского врача Скрибония Ларга Compositiones medicamentorium. Там описан первый в истории случай применения электричества в медицине. Скрибоний рекомендовал прямой контакт с электрическим скатом при артрите, подагре и головных болях:

«При любом типе подагры живой черный электрический скат должен быть положен под ноги, когда начинается боль. Пациент должен стоять на влажном берегу, омываемом морем, и оставаться в таком положении до тех пор, пока ступни и ноги до колен не онемеют».

Электрические скаты относятся к роду Torpedo. Современное слово torpedo описывает характерную форму ската, но латинское torpor, от которого произошло torpedo, означает именно онемение, ступор. Разные виды электрических скатов генерируют напряжение от 8 до 220 вольт — если предположить, что не все древние доктора могли различать очень похожие виды, остается только гадать, как сильно доставалось пациентам. Впрочем, историки считают, что среднее «терапевтическое» напряжение равнялось примерно 50 вольтам.

За римским периодом последовало Средневековье: труды греков и римлян были забыты, а никаких новых медицинских или философских работ, относящихся к электротерапии, не создавалось. Только к началу XVIII века электротерапия вновь становится популярной. Теперь для нее уже используют не рыб, а разряды тока, полученного в бесконечных экспериментах с добыванием электричества за счет природных явлений. За следующие два столетия ученые и шарлатаны построили десятки замысловатых девайсов, генерирующих электричество.

Ранние заигрывания западного мира с электричеством проходили в четыре этапа. Первая волна (середина XVIII века) — франклинизм — названа в честь американского отца-основателя и изобретателя Бенджамина Франклина. Среди прочего он исследовал атмосферное электричество, производимое грозовыми разрядами, используя заземление. Это позволило ему избежать судьбы многих других естествоиспытателей, убитых разрядом молнии, и описать этот феномен. Позже Франклин предложил лечить истерию у женщин статическим током высокого напряжения, сгенерированным при помощи трения. Этот метод назвали франклинизацией, и в маргинальных медицинских источниках он упоминается по сей день.

В конце XVIII века итальянский врач Луиджи Гальвани обнаружил, что лапка мертвой лягушки дергается, если ее стимулировать электрическим током, и приписал это свойство «животному электричеству». Итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта опроверг выводы Гальвани, доказав, что мышцы мертвой лягушки сокращаются благодаря электрохимическим процессам. И хотя второй этап называется гальванизмом, именно Вольта изобрел первую электрическую батарею, или Вольтов столб.

Изобретение представляло собой две металлические пластины, опущенные в кислоту и соединенные проволокой, по которой шел электрический ток. Вольтов столб доставлял постоянный ток в организм человека при контакте с кожей и использовался для терапии многих заболеваний. Например, депрессию лечили, прикладывая девайс к темени пациента. Область мозга тогда угадали не совсем точно (в наши дни при помощи транскраниальной магнитной стимуляции воздействуют на переднюю часть мозга), но сама идея оказалась довольно прогрессивной.

В XIX веке французский врач Сарландье пошел дальше и скрестил западные достижения электротерапии с изысками восточной медицины. Он совместил гальваническое электричество с иглами для подкожной акупунктуры, что, на его взгляд, было эффективнее для терапии ревматизма, неврологических расстройств и подагры.

У гальванизма был один существенный недостаток: из-за сильного электрического тока, напрямую контактирующего с кожей, часть кожи в зоне стимуляции отмирала. Чтобы минимизировать наносимый лечением вред, гальванический ток стали использовать для лечения поверхностных опухолей, например рака простаты.

Однако уже через несколько лет нашлось более изящное решение: английский физик Майкл Фарадей, развлекаясь с Вольтовым столбом, обнаружил, что можно индуцировать переменный ток с короткой частотой пульса, текущий в разных направлениях и не повреждающий ткань. Французский невролог Гийом Дюшен активно продвигал фарадизм, за что получил прозвище «отец электротерапии». Дюшен использовал лечение электричеством в основном для стимуляции мышц, изучая на живых пациентах и покойниках механизмы иннервации. Так он открыл лицевые мышцы, выражающие радость, и понял, что при миодистрофии Дюшена (названной в его честь) они отмирают.

Под конец XIX века, когда французский физиолог Арсен д’Арсонваль открыл высокочастотную электрическую стимуляцию (выше 5000 герц) для расслабления мышц, электротерапия стала слишком популярной и легкодоступной и попала в руки шарлатанов. Ее продолжали использовать для лечения множества неврологических, психиатрических и гинекологических недугов, но недоверие к ней стремительно росло. Уличные знахари предлагали вылечить электричеством что угодно или просто «поколебать организм» для хорошего самочувствия. Но слишком долго народ дурить не получилось, и к началу ХХ века электротерапия потеряла свои позиции.

Кроме шарлатанов была и еще одна причина, из-за которой электротерапия стала менее популярной. Был найден совершенно иной способ борьбы с болью — анестезия.

Обезболивающие свойства некоторых веществ и процедур были известны с древних времен. Опиум принимали самые разные народы и цивилизации задолго до нашей эры. Для обезболивания также употребляли салициловую кислоту, добываемую из ивовой коры (из нее синтезируют аспирин), алкоголь и морфин. Некоторые врачи прибегали к охлаждению конечностей, сдавливанию нервов (чтобы предотвратить передачу болевых сигналов в мозг), кровопусканию (видимо, в этом случае проблема боли отступала на второй план) и гипнозу. В 1846 и 1847 годах были открыты анестетические свойства эфира и хлороформа соответственно, но долгое время в повсеместную практику они не входили.

Историк культуры Джоанна Бурк в книге «История боли: от молитв до обезболивающих» задается вопросом, почему пациенты продолжали страдать во время медицинских процедур и от хронической боли, несмотря на наличие эффективных и дешевых анестетиков. С ее точки зрения, всё дело в религии: в XIX веке теологи активно противостояли использованию обезболивающих и анестетиков, поскольку в христианской Европе боль и страдания, в том числе у женщин в родах, считались наказанием за проступки.

Боль должна была напоминать людям об их грехах.

Монахини отказывались принимать обезболивающие, потому что они влияли на их сознание и не позволяли возносить молитвы Богу. Мучающиеся на смертном одре отказывались от анестезии, не желая «предстать перед Создателем в одурманенном состоянии, вызванном алкоголем, опиумом, эфиром или хлороформом».

Британский доктор Джозеф Буллар ударил по христианам, пытавшимся дискредитировать обезболивающие, их же оружием. Он заявил, что страдания на предсмертном ложе отвлекают грешников от самого главного, а вот временное облегчение боли позволяет «обратить их взгляд на вещи, важные для спасения души». Только позже, в 1899 году, когда Байер стал выпускать аспирин в промышленных масштабах, его приняли по-настоящему. Свою роль здесь сыграла и гуманизация Европы.

Помимо экспериментов с электричеством и «одурманивающими» веществами в XIX–XX веках произошли прорывы в исследованиях механизмов возникновения боли. К концу XIX века соревновались три гипотезы:

— Боль как эмоция. Эту идею предложил еще Аристотель, но в XIX веке ее поддерживали только философы и некоторые психологи. В естественно-научных кругах эта концепция не была популярна.

Две другие гипотезы совпадали в принципиальных моментах: боль определяется рецепторами в коже или внутренних органах и передается в спинной мозг, где сигнал поднимается по нервным сенсорным волокнам к головному мозгу. Человек чувствует боль, когда она достигает мозга.

— Вторая гипотеза представляла боль как особую модальность чувств, у которой есть специализированные органы чувств и нервные волокна. Эту гипотезу предложил Авиценна еще в Х веке, но научные подтверждения ей нашлись только спустя 900 лет. В 1858 году немецкий ученый Мориц Шифф доказал, что при рассечении различных волокон спинного мозга у животных боль и осязание можно дифференцировать. Иначе говоря, если перерезать определенный нерв, передающий стимул от кожи в мозг, животное может потерять тактильные ощущения от этого участка кожи, но не болевые. Следовательно, они передаются в мозг по отдельным нервным волокнам.

— Третья гипотеза предполагала, что боль — это интенсивная активация других сенсорных рецепторов, например, тактильных или температурных, и сама по себе не обнаруживается отдельными, отведенными только ей рецепторами и нервными волокнами.

Окончательно убедить научное сообщество в верности второй гипотезы удалось лишь через пару десятков лет. В 1878 году британский невропатолог Уильям Говерс показал, что боль и осязание у людей с повреждением спинного мозга не связаны. А в 1912 году хирурги Уильям Спиллер и Эдвард Мартин подтвердили это, проведя операцию по рассечению участка спинного мозга, чтобы избавить пациента от хронической боли. Предположительно, больной страдал от злокачественной опухоли нижней части спинного мозга величиной с яйцо. Спиллер и Мартин прибегли к операции как к крайней мере: они перерезали нервные волокна, идущие от пораженной области через спинной мозг к головному, и мозг перестал получать информацию о боли, что значительно облегчило страдания пациента. Врачи отметили, что они выборочно рассекли только нервные волокна, проводящие боль. Благодаря этому удалось сохранить нормальную работу нижних конечностей, кишечника и мочевого пузыря.

Когда ученые убедились, что боль передается в мозг по отдельным нервным волокнам, оказалось, что есть разные типы этих волокон: одни передают «быструю» боль, а другие — «медленную». Первые волокна миелинизированные, то есть нерв обернут слоем мембран других клеток, состоящих в основном из липидов. Они изолируют нерв (как при изоляции электрических проводов) и позволяют болевому сигналу бежать в мозг быстрее. Именно они помогают моментально отдернуть руку от огня. Второй тип волокон никуда не спешит — они не изолированы миелиновой оболочкой, сигнал передается медленнее и в другие отделы мозга. Считается, что этот тип передачи болевого сигнала отвечает за вторичную, более затяжную и эмоционально окрашенную боль, которая хуже локализуется.

С пониманием механизмов проведения боли во второй половине ХХ века идеи электротерапии обрели второе дыхание. В 1965 году канадский психолог Рональд Мелзак и британский нейробиолог Патрик Уолл предложили теорию контроля ворот боли (Gate control theory of pain).

Вы замечали, что если сжать ушибленный палец или пораненное место, то боль как будто утихает? Это явление как раз объясняет теория Мелзака и Уолла. Рецепторы в коже, реагирующие на боль и тактильные ощущения (например, давление), разные, но в спинном мозге они подсоединяются к одному и тому же проводящему нейрону, который передает сигнал дальше в головной мозг. Когда стимулируются болевые рецепторы, то передают сигнал на проводящий нейрон только они — «ворота боли» открыты. Но если стимулировать рецепторы давления, они передают сигнал тому же проводящему нейрону и закрывают «ворота боли». Нервная система устроена так, что тактильные нейроны возбудить проще, чем болевые, поэтому им проще закрыть ворота, чем болевым рецепторам — открыть.

Значит, если специально возбудить тактильные рецепторы при, скажем, хронической боли и закрыть ворота, то ощущение боли уменьшится.

Именно на этом принципе основана транскутанная (осуществляющаяся через кожу) электрическая нервная стимуляция (ТЭНС), предложенная через пару лет после открытия «ворот боли».

Патрик Уолл и его коллега Билл Свит обнаружили, что электростимуляция высокой частоты (около 100 импульсов в секунду) облегчает боль. Девайс для ТЭНС был довольно простым: электрический блок на батарейке и электроды, которые нужно накладывать на кожу в болевой зоне. Разные исследователи использовали различные частоты стимуляции: низкую, высокую и даже переменную частоту, а ощущения пациентов варьировались от легкого покалывания кожи до судорожного мышечного сокращения. Боль отступала быстро, но на ранних стадиях современной электротерапии ненадолго, и работало это примерно для двух третей пациентов.

Позже ученые пробовали использовать иглы для акупунктуры, чтобы воздействовать током на верхние слои кожи (напоминает XVIII век, не так ли?). Еще одна разработка — инвазивная стимуляция спинного мозга, при которой электроды внедряются прямо в спинной мозг, а пациент всегда носит с собой портативный генератор электрических импульсов. Такой метод используется до сих пор при хронической боли, повреждении нервов в конечностях и неизлечимой боли после операций на позвоночнике, если классические методы не облегчили состояние пациента.

Но всё это еще не последнее слово в медицине. Перечисленные методы стимулируют периферические нервы или спинной мозг, но когда даже это не облегчает страдания, медики предлагают глубокую стимуляцию структур головного мозга, связанных с ощущением боли. Этот способ используют для облегчения симптомов болезни Паркинсона; процедура похожа на описанные выше, разве что стимулируются другие области мозга. В случае паркинсонизма это области, ответственные за контроль над движениями тела, а при хронической боли — области, проводящие и обрабатывающие боль.

Так человечество прошло путь длиной в несколько тысячелетий от использования электрических рыб до прицельной электрической стимуляции нерва или даже напрямую мозга. Однако проблема хронической боли всё еще не решена: электростимуляция действует не на всех пациентов и не совсем понятно, как именно она работает. Некоторые пациенты быстро адаптируются к стимуляции, и болевой синдром возвращается. Не говоря уже о том, что теории, ясно и однозначно объясняющей болеутоляющий эффект электротерапии, не существует. Тем не менее те, кто избавился от хронической боли, могут порадоваться, что для этого им не пришлось подкладывать под ноги электрического ската на морском берегу.