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Darwin Correspondence Project

From F. C. Donders1   28 May 1870

Utrecht,

28 Mai 1870

My dear Sir,

Je continue la lettre que j’avais l’honneur de vous adresser hier.2 Vous me permetrez, j’espère, d’entrer dans quelque développement préliminaire qui me facilitera l’exposition de mes idées.

La sécrétion des larmes se fait sous l’influence directe de fibres nerveuses sécretoires, spécifiques, comprises dans la portio major nervi trigémini.3 Elles s’en séparent comme nerf lacrymal, qui prend son origine de la 1ère et peutêtre aussi de la 2ième branche du nerf V. Les fibres sécrétoires ont une action centrifugale; toutes les autres fibres de ces deux grandes branches semblent avoir une action centripetale seulement: elles sont sensitives. En quelque sorte, c’est donc une anomalie que les fibres, qui président à la sécrétion des larmes, sont contenues dans le même neurilemma.4 Mais, en réalité, cette disposition n’a aucune conséquence, la fonction du nerf ne dépendant que de son centre d’origine et de sa distribution périphérique. De la même manière, nous voyons quelques fibres se séparer du nerf facial (la chorda tympani),5 qui président à la secretion de la glande submaxillaire.

Il s’agit donc de trouver dans la moëlle allongée le noyau spécial, c’est-à-dire le centre, à cellules nerveuses, qui, par son action, détermîne l’innervation des fibres nerveuses qui produisent la sécrétion des larmes, et d’étudier ses rapports. D’après ce que nous savons sur les noyaux d’autres nerfs, correspondant à des fonctions déterminées (selon Stilling, Schroeder Van der Kolk, Deiters et autres anatomistes),6 comme à la fonction de l’organe électrique, au mouvement consensual des yeux, à la contraction de la pupille, etc. etc., nous sommes en droit d’admettre un noyau spécial pour la secretion des larmes, pour la sécrétion de la saline, pour l’accommodation, pour chaque groupe de muscles, dont l’action correspond à une fonction spéciale soit de locomotion soit d’expression, etc.

Or, sur le noyau du nerf lacrymal agissent deux sortes de fibres nerveuses: 1o. des fibres centrales qui sont en rapport direct avec les grands hémisphères, 2o. des fibres, agissant par action reflexes, qui partent de la péripherie et vont abouter au noyau.

Un noyau pareil doit correspondre au muscle orbiculaire, et il est mis en action également 1o. par des fibres centrales, qui déterminent les mouvements volontaires et automatiques, 2o. par des fibres, qui, parties de la péripherie, agissent par reflexe.

Si maintenant l’action du muscle orbiculaire et celle de la glande lacrymale quelquefois sont combinées, il faut que l’action, soit de fibres centrales, soit de fibres reflexes, agisse en même temps sur les deux noyaux. Le rapport pourrait être un tel que l’action, provoquée d’une manière ou d’une autre, dans le muscle détermine la sécretion de larmes, ou vice versa, par action reflexe. C’est là encore une question à resoudre.

Examinons d’abord, s’il y a des rapports entre les fibres centrales des deux noyaux:

1o. l’innervation volontaire du muscle orbiculaire peut avoir lieu, même à un haut dégré, sans action associée de la glande lacrymale. S’il y a quelque trace de larmes, ce phénomène peut s’expliquer soit par la pression, exercée directement sur la glande et l’évacuant en quelque sorte de son contenu, soit par irritation de l’œil, qui, par reflexe, comme nous verrons, stimule la sécrétion des larmes.

2o. l’innervation automatique de la glande lacrymale peut, à son tour, avoir lieu, indépendamment de celle du muscle orbiculaire. Tout le monde sait qu’un souvenir douleureux fait couler les larmes, sans contraction du muscle orbiculaire, que les enfants, frustrés dans leurs désirs, souvent dirigent sur nous leurs yeux grandement ouverts, pleins de larmes. Si plus tard, les yeux se ferment, c’est probablement par action reflexe, produite par l’irritation de l’œil.

3o. Il arrive que les fibres centrales portent simultanément sur les deux noyaux, p.e. dans un grand chagrin, une douleur violente. On voit surtout les enfants et les personnes nerveuses verser alors des larmes, en fermant les yeux. A la lorsque, l’action réflexe s’y ajoute, mais elle n’est pas primaire.

Quant aux rapports entre les fibres, qui par action réflexes portent sur les deux noyaux, ils semblent être beaucoup plus fréquents. Ces fibres appartiennent à deux classes de nerfs différentes: a. le nerf optique et b. le nerf de la cinquième paire.

a. Quant au nerf optique, son irritation par une lumière vive produit plus tôt la contraction du muscle orbiculaire que la sécrétion de larmes. Pourtant, il n’est pas rare de voir en même temps la sécrétion augmentée.

Mr. Herkenstein trouva, dans ses expériences sur des animaux, que l’irritation du nerf optique d’un seul oeil provoque la sécrétion de larmes dans les deux yeux; tandisque, au contraire, ce n’est que l’oeil du même côté qui réagit sur une irritation de la muqueuse, dans laquelle se distribue la cinquième paire.7

b. L’irritation de certaines branches sensitives de la 5ième paire agit sur les deux noyaux, ou, pour mieux m’exprimer, il y a des points de la periphérie dont l’irritation provoque en même temps, par action réflexe de ses nerfs, la contraction de l’orbiculaire et la sécrétion de larmes. C’est ce que nous trouvons dans l’irritation de la conjonctive oculaire, surtout près de la cornée et de la cornée elle-même,—soit par un simple attouchement, soit par un corps étranger permanent, soit par une inflammation superficielle dans l’ophthalmie à phlyctènes, dite scrophuleux, etc.— J’ai encore observé quelques cas d’une affection bien curieuse: après un attouchement, qui ne produisait ni plaie, ni contusion, par exemple, la friction d’un habit, il se produisait un spasme du muscle orbiculaire et un larmoiement très profus, qui ne duraient qu’une heure peut-être. Mais plus tard, il y avait de temps en temps, quelque fois avec de grandes intervalles, de quelques semaines p.e., des accès violents de spasme du muscle orbiculaire et de sécrétion de larmes, avec rougeur soit primaire soit secondaire de l’oeil.8 Il y a donc des points à la surface de l’oeil agissant sur les deux noyaux.— Il y en aussi dans la muqueuse du nez. Une irritation de cette muqueuse fait couler les larmes & produit en même temps une contraction d’abord de la partie orbitale seulement du muscle orbiculaire, assez souvent comme préliminaire d’éternûment, qui, faisant explosion, fait fermer les paupières avec force et favorise encore la secrétion de larmes: c’est que, une sécrétion, du reste, periodique, une fois établie par l’irritation nerveuse, est augmentée régulierement par une congestion sanguine.—

Cette action reflexe double d’une irritation de la muqueuse nasale parait correspondre à ce qu’il faut pour éliminer l’irritation—produite par un corps étranger—autant par la courant d’air violent de l’éternûment que par les larmes qui descendent dans le nez.

Si pendant la vomitarition, le muscle orbiculaire se contracte en même temps qu’il y a larmoiement, n’y aurait-il pas le plus souvent irritation de la muqueuse nasale par les substances vomies, ou au moins dans l’arrière-gorge, qui semble aussi déjà agir sur les deux phénomènes.

Dans ces cas d’irritation de la muqueuse nasale, il n’y a pas de la douleur vraie, il n’y a qu’un leger picotement ou une sensation de constriction, dont le premier surtout excite l’éternûment, et dont la dernière nous échappe facilement.

Une irritation du sac lacrymal ne semble produire que le larmoiement. Au moins dans les cas d’irritation inflammatoire chronique les larmes coulent sans que l’oeil soit fermé, et, chose interessante, si l’on détruit dans ce cas le sac lacrymal, aussi qu’une cicatrisation se fait, sans état irrité, la sécrétion de larmes souvent est presque nulle, autant que l’œil est exempt de toute irritation: on ne voit pas des larmes, malgré l’occlusion entière des conduits. Ceci prouve bien que la sécretion de larmes est périodique comme celle de la saline etc.—

Le clignotement ordinaire ne semble donc pas accompagné d’une secrétion des larmes: C’est une action reflexe tant à l’irritation du nerf optique que du nerf de la cinquième paire (surface de l’oeil). Pourtant je n’oserai pas affirmer absolument que la sécrétion de larmes fait absolument défaut dans le clignotement: d’ailleurs nous savons que le méchanisme de l’absorption des larmes par les points lacrymaux est mis en jeu par ce clignotement. Pour le moment, My dear Sir, je ne saurais vous en dire davantage. Vous même, vous avez remarqué que la contraction volontaire du muscle orbiculaire n’a pour ainsi dire, aucun effet sur la sécrétion de larmes. Or, ça ne peut nous étonner, car il est bien sûr que les deux actions ne sont pas dans les rapports de cause à effet: ce n’est que l’irritation produit par la contraction, qui pourrait donner lieu indirectement à quelque larmoiement, et l’irritation des yeux et des paupières mêmes par les larmes, qui pourrait donner lieu à une contraction,—dans les deux cas par action réflexe.

Il faut donc recourir aux autres nerveux, aux noyaux comme Stelling les a appelés.9 J’ai la conviction qu’un examen anatomique très assidu peut nous faire monter des fibres du nerf lacrymal, jusqu’aux cellules nerveuses, où elles aboutissent: c’est difficile et laborieux, mais ce n’est pas impossible. On attendrait la même chose pour la chorda tympani, pourvu que qu’on veuille: “where there is a will, there is a way”. Peut-être je saurai engager un de mes élèves d’entreprendre l’examen.

Toujours il est vrai que la premiere question qui se presente dans l’ordre des idées qui nous occupent, consiste dans la détermination précise des noyaux, en prenant pour point de depart les fibres periphériques. Plus tard se presentera la question plus difficile des rapports de ces noyaux avec les fibres reflexes et les fibres centrales, et leurs rapports mutuels, c’est-à-dire de chaque noyau aux autres. S’il y a manifestation de la vie cérébrale dans l’expression de la figure, c’est qu’il y a correspondence organique parfaite dans les details, chaque muscle ou groupe des muscles ayant leurs cellules nerveuses, sur lesquelles des actions locales, specifiques peut-être, liées à la manifestation psychique, agissent d’une manière harmonieuse.

Pardonnez-moi, je vous en prie, si, en écrivant, je me suis laissé un peu entraîner. Peut-etre çà ou là, il y a allusion à quelque fait physiologique, qui puisse vous servir à fixer vos idées sur la question que vous m’avez fait l’honneur de me poser. Soyez bien sûr, que vous me rendrez heureux en vous addressant à moi sur des points qui sont du domaine de la physiologie, dont votre esprit n’embrasserait pas tous les détails. J’ai pour vos ouvrages une admiration et un respect sans bornes.

Veuillez, my dear Sir, agreer les assurances de cette considération illimitée | Donders

CD annotations

1.1 Je … idées. 1.3] crossed pencil
11.1 Quant] after opening square bracket, pencil
15.1 J’ai encore] after opening square braket, pencil; ‘encore’ del pencil
15.7 Il y a donc] after closing square bracket, pencil
15.13 c’est que, … sanguine.— 15.17] scored pencil
18.4 sans état … larmes, 18.5] scored pencil
19.1 Le clignotement] after opening square bracket, pencil

Footnotes

For a translation of this letter, see Correspondence vol. 18, Appendix I.
See letter from F. C. Donders, 27 May 1870. Donders there discussed the first of two questions that CD had put to him in the letter to F. C. Donders, 13 May [1870].
For CD’s question on tears, see the letter to F. C. Donders, 13 May [1870]. The ‘portio major nervi trigemini’ is the large sensory root of the trigeminal nerve.
Donders evidently uses the term ‘neurilemma’ to refer to the sheath of connective tissue around a nerve or nerve fascicle (OED).
‘Chorda tympani’: a branch of the facial nerve which traverses the mucous membrane of the tympanum (OED s.v. ‘tympanichord’).
Donders refers to Benedict Stilling, Jacob Ludwig Conrad Schroeder van der Kolk, and Otto Friedrich Karl Deiters.
Ulrich Herzenstein reported these experiments in his article, ‘Zur Physiologie der Thränensecretion’ (On the physiology of tear secretion; Herzenstein 1867).
CD quoted, in translation, the two preceding sentences in Expression, p. 166.
‘Stilling nucleus’: a column of large neurons that gives rise to the dorsal spinocerebellar tract (Stedman’s medical eponyms).

Translation

From F. C. Donders1   28 May 1870

Utrecht

28 May 1870

My dear Sir,

I am continuing the letter which I had the honour of addressing to you yesterday.2 You will allow me, I hope, to enter into some preliminary discussion which will facilitate the exposition of my ideas.

Tear secretion takes place under the direct influence of specific secretory nerve fibres included in the portio major nervi trigemini.3 They branch out from it to form the lachrymal nerve, which originates in the 1st and perhaps also in the 2nd branch of nerve V. The secretory fibres possess a centrifugal action; all the other fibres of these two great branches seem only to possess a centripetal action: they are sensitive. In a way, it is thus an anomaly that the fibres which preside over tear secretion are contained within the same neurilemma.4 But in fact this arrangement has no consequences, since the function of the nerve depends only on its centre of origin and its peripheral distribution. In the same way, we see some fibres branching off from the facial nerve (the chorda tympani)5 to preside over the secretion of the submaxillary gland.

It is thus a matter of finding, in the medulla oblongata, the special nucleus—that is to say the centre—of nerve cells, which through its action determines the innervation of the nerve fibres that produce tear secretion, and of studying its connections. From what we know of the nuclei of other nerves corresponding to determinate functions (according to Stilling, Schroeder Van der Kolk, Deiters and other anatomists),6 such as the function of the electrical organ, the consensual motion of the eyes, the contraction of the pupil, etc. etc., we are justified in accepting a special nucleus for tear secretion, saline secretion, accommodation, and each group of muscles whose action corresponds to a specific function, such as locomotion, expression, etc.

Now, two types of nerve fibre act on the nucleus of the lachrymal nerve: 1st. central fibres, in direct communication with the large hemispheres, 2nd. fibres acting by reflex action, which branch off from the periphery and terminate at the nucleus.

A similar nucleus must correspond with the orbicular muscle, and is likewise put into play 1st. by central fibres which determine voluntary and automatic motion, 2nd. by fibres which, branching off from the periphery, act by reflex.

In cases where the action of the orbicular muscle and that of the lachrymal gland are combined, the action of central and reflex fibres must act simultaneously on the two nuclei. The interaction could be such that action in the muscle provoked by one means or another determines tear secretion, or vice versa, by reflex action. This is another question to be resolved.

Let us first examine if there is communication between the central fibres of both nuclei:

1st. voluntary innervation of the orbicular muscle can occur, even in a high degree, without associated action by the lachrymal gland. When there are some signs of tears, this phenomenon can be explained either by means of the pressure exerted directly on the gland, which evacuates its contents in some way, or by means of eye irritation, which, as we shall see, stimulates tear secretion by reflex.

2nd. automatic innervation of the lachrymal gland, in turn, can occur independently of that of the orbicular muscle. Everyone knows that a painful memory makes tears flow without contraction of the orbicular muscle, and that children who are frustrated in their desires often turn their eyes to us wide open and filled with tears. If the eyes close later, it is probably a reflex action produced by eye irritation.

3rd. It may occur that the central fibres communicate violent pain to both nuclei simultaneously, e.g. during a great sorrow, or a violent grief. Then children and nervous people, in particular, may be seen to shed tears with closed eyes. At that moment, the reflex action is contributing, but it does not predominate.

As for communication between the fibres which through reflex action affect both nuclei, this seems to be far more common. Such fibres belong to two different classes of nerves: a. the optical nerve and b. the nerve of the fifth pair.

a. As regards the optical nerve, irritating it with a bright light causes contraction in the orbicular muscle, rather than tear secretion. However, it is not uncommon to find secretion increased at the same time.

Mr. Herkenstein found, in his experiments upon animals, that irritation of the optical nerve of a single eye provokes tear secretion in both eyes; while conversely only the eye on the same side reacts to irritation of the mucosa, which is supplied by the fifth pair.7

b. The irritation of certain sensitive branches of the 5th pair acts on both nuclei, or, to put it better, there are points on the periphery where, through reflex action of the nerves, irritation simultaneously provokes orbicular contraction and tear secretion. This is what we find in irritation of the ocular conjunctiva, especially near the cornea and of the cornea itself,—whether from touching alone, or from a permanent foreign body, or from superficial inflammation in phlyctenular or scrophulous opthalmia, etc.— I have also observed some cases of a very curious affection: after a touch that produced neither a wound nor contusion, for example friction from clothing, a spasm of the orbicular muscle occurred, with very profuse weeping, which lasted no longer than an hour, perhaps. But from time to time thereafter, sometimes at large intervals, perhaps of several weeks, there were violent episodes of spasm in the orbicular muscle and tear secretion, with primary or secondary redness of the eye.8 There are thus points on the eye surface that act on both nuclei.— There are also some in the nasal mucosa. Irritation of this mucosa causes tears to flow & simultaneously produces contraction first in the orbital part of the orbicular muscle alone, quite often as a preliminary to sneezing, which, in causing an explosion, causes the eyelids to be tightly closed and favours tear secretion even more: this is caused by the fact that a secretion that is usually intermittent, once established by nervous irritation, is regularly augmented by sanguinary congestion.— This dual reflex action in irritation of the nasal mucosa seems to correspond to what is required to eliminate the irritation—produced by a foreign body—as much by the violent current of air in sneezing as by the tears descending into the nose.

If during vomiting the orbicular muscle contracts and there is tear flow simultaneously, is there not, most commonly, irritation of the nasal mucosa by vomited substances, or at least of the back of the throat, which also seems to affect both phenomena.

In such cases of irritation of the nasal mucosa, there is no true pain, just a slight prickling or a feeling of constriction, the first of which in particular excites sneezing, and the second of which we easily miss.

Irritation of the lachrymal sac seems only to produce weeping. At least in cases of chronic inflammatory irritation, tears flow when the eye is not closed, and, which is interesting, if one destroys the lachrymal sac in such cases, as soon as scarring takes place, once there is no condition of irritation, tear secretion is often nil, as long as the eye is free of all irritation: no tears are to be seen, despite the complete occlusion of the ducts. This is a good proof that tear secretion is intermittent, like that of saline, etc.—

Ordinary blinking therefore does not seem to be accompanied by tear secretion: It is a reflex action as much from the irritation of the optical nerve as from the nerve of the fifth pair (the surface of the eye). However, I should not like to assert absolutely that tear secretion is totally absent during blinking: besides, we know that the mechanism of tear absorption by the lachrymal points is put into play by such blinking. For the moment, My dear Sir, I could not tell you any more. You have yourself remarked that the voluntary contraction of the orbicular muscle has, so to speak, no effect on tear secretion. Now this ought not to astonish us, for it is very certain that these two actions are not in a cause-and-effect relation to one another: it’s only the irritation produced by the contraction that could indirectly give rise to weeping, and the irritation of the eyes and even eyelids by tears that could give rise to a contraction,—in both cases by reflex action.

One must thus fall back on the other nerves, the nuclei, as Stelling has termed them.9 I am convinced that a very assiduous anatomical examination may allow us to trace the fibres of the lachrymal nerve, as far as the nerve cells where they terminate: this is difficult and laborious, but not impossible. One would expect the same thing for the chorda tympani, if one wanted to: “where there is a will, there is a way”. Perhaps I shall be able to engage one of my students to undertake the examination.

Still, it is true that the first question to appear in the sequence of ideas that concerns us consists of the precise determination of the nuclei, taking the peripheral fibres as a point of departure. Later arises the more difficult question of the connections between these nuclei and the reflex or central fibres, and their mutual connections, that is to say the connections from each nucleus to the rest. If there is a manifestation of the cerebral life in facial expressions, it is that there is perfect organic correspondence in the details, every muscle or muscle group having its own nerve cells, on which local and possibly specific actions, linked to psychic manifestation, act in a harmonious manner.

Please excuse me if while writing I have become rather carried away. Perhaps here or there, I may allude to some physiological fact that might allow you to settle your ideas regarding the question that you did me the honour of proposing. You may be very certain that you will make me happy by addressing yourself to me on points that fall within the scope of physiology, not all of the details of that your mind commands. I have boundless admiration and respect for your works.

My dear Sir, I beg you to accept the assurance of my boundless esteem. | Donders

Footnotes

For a transcription of this letter in its original French, see p. 136.
See letter from F. C. Donders, 27 May 1870. Donders there discussed the first of two questions that CD had put to him in the letter to F. C. Donders, 13 May [1870].
For CD’s question on tears, see the letter to F. C. Donders, 13 May [1870]. The ‘portio major nervi trigemini’ is the large sensory root of the trigeminal nerve.
Donders evidently uses the term ‘neurilemma’ to refer to the sheath of connective tissue around a nerve or nerve fascicle (OED).
‘Chorda tympani’: a branch of the facial nerve which traverses the mucous membrane of the tympanum (OED s.v. ‘tympanichord’).
Donders refers to Benedict Stilling, Jacob Ludwig Conrad Schroeder van der Kolk, and Otto Friedrich Karl Deiters.
Ulrich Herzenstein reported these experiments in his article, ‘Zur Physiologie der Thränensecretion’ (On the physiology of tear secretion; Herzenstein 1867).
CD quoted, in translation, the two preceding sentences in Expression, p. 166.
‘Stilling nucleus’: a column of large neurons that gives rise to the dorsal spinocerebellar tract (Stedman’s medical eponyms).

Summary

A detailed description of the physiological and anatomical processes related to the prolonged involuntary contraction of the orbicular muscles and the secretion of tears (as in retching, violent coughing, or laughing). [See Expression, p. 160.].

Letter details

Letter no.
DCP-LETT-7207
From
Frans Cornelis (Franciscus Cornelius) Donders
To
Charles Robert Darwin
Sent from
Utrecht
Source of text
DAR 162: 226
Physical description
16pp †, CD note 3pp

Please cite as

Darwin Correspondence Project, “Letter no. 7207,” accessed on 19 October 2018, http://www.darwinproject.ac.uk/DCP-LETT-7207

Also published in The Correspondence of Charles Darwin, vol. 18

letter