Книга: Мозг, разум и поведение

Общая модель сенсорной и двигательной систем

Общая модель сенсорной и двигательной систем

На протяжении веков люди пользовались различными приспособлениями для связи друг с другом — от очень простых сигналов (сверкание отраженного солнечного света, передаваемого от одного наблюдательного поста к другому) до более сложных — таких, как закодированные сигналы барабанного боя, передача целых предложений по телеграфу, телефону и, наконец, через спутники связи. Все эти системы выполняют одну и ту же функцию, но более сложные из них несут больше информации, быстрее осуществляют ее передачу и отличаются большей гибкостью. Для улучшения связи потребовалось введение многих дополнительных компонентов, распознающих, фильтрующих и усиливающих сигналы.

Нервные клетки сенсорных и двигательных систем тоже должны взаимодействовать друг с другом, для того чтобы эти системы работали нормально. Рассказывая о том, что нам известно о процессах ощущения и движения, нужно предупредить, что в настоящее время мы располагаем лишь начальными сведениями об этих системах, хотя отчасти и осознаем их сложность и запутанность. Они похожи на системы связи будущего, по поводу которых можно много фантазировать, но которые трудно описать.

Все известные части сенсорных систем как в простых, так и в сложных нервных системах включают как минимум следующие компоненты: 1) детекторы стимула — специализированные рецепторные нейроны; 2) первичный воспринимающий центр, куда сходится информация от группы детекторных блоков; 3) один или большее число вторичных воспринимающих и интегрирующих центров, получающих информацию от первичных воспринимающих центров. В более сложных нервных системах интегрирующие центры связаны также друг с другом. Взаимодействие этих центров и создает «восприятие» (см. гл. 8).

Сенсорная система начинает действовать тогда, когда какое-либо явление окружающей среды — стимул, или раздражитель, — воспринимается чувствительными нейронами — первичными сенсорными рецепторами. В каждом рецепторе воздействующий физический фактор (свет, звук, тепло, давление) преобразуется в потенциал действия. Потенциалы действия, или нервные импульсы, отображают сенсорные стимулы в виде клеточных сигналов, которые могут быть подвергнуты дальнейшей переработке нервной системой. Нервные импульсы, вырабатываемые рецепторами, передаются по сенсорному волокну в воспринимающий центр, ответственный за данный вид ощущений. Как только импульсы достигают первичной зоны переработки, из деталей сенсорных импульсов извлекается информация. Само поступление импульсов означает, что произошло событие, относящееся к данному сенсорному каналу. Частота импульсов и общее число рецепторов, передающих импульсы, отражают силу стимула и размеры воспринимаемого объекта. При восприятии цветка, например, происходит выделение его цвета, формы, размера и расстояния до него. Эта и другая информация затем передается из первичных зон обработки во вторичные, где формируются дальнейшие суждения о воспринимаемых событиях.

В последующих интегративных центрах сенсорной системы может добавляться информация из других источников ощущений, а также информация памяти о сходном прошлом опыте. В какой-то момент природа и значение того, что мы ощущаем, определяются в результате осознанной идентификации, которую мы называем восприятием. После этого наступает время для ответного действия, если оно требуется.

По этой общей схеме работают все сенсорные системы. Таким образом, рассмотрев функционирование одной из них, мы в известной степени можем перенести наши общие выводы и на другие системы. Точно так же мы можем проанализировать деятельность моторной, или двигательной, системы как сходно организованной сети, по которой путешествуют импульсы, но только в обратном направлении. Сенсорные системы перерабатывают информацию, поступающую в мозг, а моторные системы — информацию, идущую от мозга к мышцам. Но структурная организация тех и других систем обнаруживает черты сходства. Работой отдельных мышц управляют группы двигательных нейронов, или мотонейронов. Мотонейроны контролируются клетками двигательных интегрирующих областей, которые в свою очередь находятся под контролем еще более сложных двигательных центров.

Что мы ощущаем?

Подобно животным, мы воспринимаем окружающий мир при помощи наших сенсорных систем. Каждая система получает название по тому виду сенсорной информации, для восприятия которого она специально приспособлена. Мы воспринимаем зрительные, слуховые, осязательные, вкусовые и обонятельные стимулы, а также силу тяготения (см. рис. 2-7). (Информация о тяготении обеспечивает нам чувство равновесия.) Другие, менее ясные ощущения позволяют нам контролировать положение конечностей и их отдельных частей, что дает нам возможность управлять нашими движениями — ходить не спотыкаясь, чесать нос, не попадая при этом в глаз, и т.п. Еще менее заметны для нас сигналы, поступающие из глубины нашего тела, — они сообщают о его температуре, о химизме и объеме крови, об изменениях, контролируемых эндокринными органами (эти внутренние сигналы и приспособительные реакции на них рассматриваются в главе 4). У некоторых животных есть и другие сенсорные системы. Змеи находят добычу, улавливая тепловые инфракрасные лучи; некоторые обитатели моря распознают электрические сигналы, исходящие от их врагов, жертв или представителей собственного вида.

Все формы ощущений несут информацию о времени — о том, когда появился стимул и как долго он воздействовал. Зрение, слух, обоняние и осязание доставляют также сведения о положении источника сигнала в пространстве. Сравнивая силу сигналов, воспринимаемых каждым ухом или каждой ноздрей по отдельности, а также определяя место сигнала в поле зрения, мозг может установить, где находится его источник во внешнем мире. При прямом физическом прикосновении к коже мозг определяет локализацию стимула благодаря связям каждого участка тела с соответствующим пунктом в сенсорной коре.

Каждая из сенсорных систем различает также одно или несколько качеств воспринимаемого сигнала. Мы видим цвета и их яркость. Мы слышим тембр и высоту звука, чувствуем сладкий, кислый или соленый вкус. Мы различаем ощущения с поверхности нашего тела по остроте сигналов (острые или тупые), различаем температуру (горячее или холодное), характер давления на кожу (постоянное или вибрирующее). То, что каждое из этих качеств воспринимается органами чувств по отдельности, означает, что существуют рецепторные клетки, специализированные для восприятия определенных особенностей стимула.

Суждения о количестве тоже основаны на реакции рецепторных клеток. Уровень их активности отражает интенсивность воспринимаемого сигнала. Чем ярче свет, громче звук, сильнее укол, интенсивнее запах, тем выше уровень активности рецепторов; и наоборот, менее интенсивные сигналы вызывают меньшую активность. Сигналы, слишком слабые для восприятия, называют «подпороговыми».

Интенсивность, или сила, ощущения влияет также на его интерпретацию. Щекотание может стать мучительным, если щекочут слишком сильно или слишком долго. Хотя мы обычно говорим, что просто «чувствуем боль», было бы вернее сказать, что мы оцениваем ощущение как болевое по силе и качеству определенных сенсорных сигналов, которые могут возникать под действием давления, звука и даже света. «Боль» можно рассматривать как «субъективное» чувство, так как решение о том, является ли данный стимул болезненным или нет, требует интерпретации со стороны самого субъекта. Люди различаются по своей чувствительности к болевым сигналам. (Боль и наши реакции на нее подробнее рассматриваются в главе 6.)

В табл. 3.1 перечислены шесть основных сенсорных систем человека, специализированные органы, которые воспринимают специфические для каждой из них стимулы, распознаваемые ими свойства стимулов и рецепторные клетки, реагирующие на силу и качество стимула.

Таблица 3.1. Основные категории в области сенсорных процессов — модальность и качество. Основные категории в области сенсорных процессов — модальность и качество.

Как ни странно, в органах обоняния и вкуса используется только один вид воспринимающих клеток, хотя с их помощью можно различать много разного рода качеств даже при очень малой силе раздражителя. В данном случае определение качества рецептором зависит не от вида клеток, а от их расположения на поверхности языка или слизистой оболочки носа и глотки. По-видимому, те или иные вещества, если их нюхать или пробовать на вкус, вызывают различные реакции в зависимости от воспринимающих свойств индивидуальных рецепторов. На поверхности языка можно определить расположение клеток, различающих четыре основных вкусовых качества (рис. 41), но локализация рецепторов специфических запахов на слизистой обонятельной системы еще не установлена.

Тонкая настройка сенсорных процессов

Рассмотрим теперь более внимательно два аспекта сенсорной реакции на стимул-адаптацию и канализирование информации.

Рис. 41. Рецепторы четырех основных вкусовых качеств. Кончик языка до некоторой степени ощущает все четыре качества, но наиболее чувствителен к сладкому и соленому. Края языка чувствительнее к кислому, но воспринимают и соленый вкус. Основание языка наиболее чувствительно к горькому.

Как вы уже видели, роль рецепторов состоит в том, чтобы сообщать о тех изменениях, которые происходят во внешнем мире. Некоторые рецепторы дают более интенсивную реакцию в начале воздействия сигнала, а затем реакция ослабевает. Такое снижение интенсивности ответа называют адаптацией. Скорость и степень адаптации при воздействии длительного раздражителя варьирует для разных органов чувств и зависит от обстоятельств. Мы не вспоминаем о тесной обуви, когда опаздываем в школу или на работу. Мы не слышим шума уличного движения до тех пор, пока звук сирены или громыхание грузовика не привлечет к себе нашего внимания. Мы привыкаем к постоянным запахам — например, к запаху газа при его утечке или к обволакивающему аромату хороших духов. Чтобы вновь почувствовать запах, нужно глубоко вдохнуть, как бы убедиться в его присутствии.

Можно сказать, что первоначальное ощущение служит для того, чтобы включить новое событие в тот информационный фонд, которым мы пользуемся для оценки текущего момента. Ослабление реакции на продолжающийся стимул облегчает нам восприятие новых сенсорных сигналов (см. рис. 42). Если бы новые и прежние сигналы были одинаковы по силе, мы потонули бы в потоке сенсорной информации, поступающей от всех наших рецепторов.

Рис. 42. Когда начинается действие какого-либо стимула, рецептор реагирует на него очень энергично. По мере продолжения стимуляции рецептор адаптируется к нему, и активность в сенсорном волокне снижается до более низкого уровня. При коротких и периодических предъявлениях стимула рецептор каждый раз реагирует на него полностью, без адаптации.

Мы постоянно используем все возможности, чтобы получить свежую информацию о мире. Закройте глаза и попытайтесь определить, что за предмет находится у вас в руке. Задача станет намного проще, если вы покрутите его на ладонях, повернете туда-сюда, несколько раз проведете пальцами по его поверхности. Каждое новое прикосновение дает новую отправную точку для анализа, добавляет новую информацию к тому образу, который уже начал постепенно складываться из первых и последующих касаний. Когда вы сидите, держа за руки любимую, в темном зале кинотеатра, всякое новое пожатие или нежное поглаживание как бы напоминает вам о руке, которую вы держите, о ее особых качествах, реальных или воображаемых.

Каждый рецептор при своем возбуждении посылает сенсорную информацию по цепи синаптических переключений, специфичных для данной сенсорной системы; при этом сигналы передаются на более высокие этажи мозга. На каждом уровне сигнал подвергается дополнительной обработке. После того как физические раздражители — световые или звуковые волны, запахи, жар, холод, постоянное или вибрирующее давление — были преобразованы рецептором в нервные импульсы, они уже не имеют самостоятельного значения. С этого момента физическое событие существует только в виде кода нервных импульсов в специфических сенсорных каналах нервной системы. Впоследствии мозг реконструирует внешний мир, складывая вместе всю информацию, получаемую в данный момент от каждого из активированных рецепторов. Вот эта-то совокупность информации и интерпретируется мозгом для создания той мысленной конструкции, которая будет нашим восприятием внешнего мира в любой данный момент.

В табл. 3.2 перечислены основные места переработки информации, большинство из которых являются также специфическими участками каналов, отведенных для каждого вида сенсорных сигналов. В таблице приведены только главные уровни, присущие всем сенсорным системам. Внутри каждой системы информация, поступающая на тот или иной уровень, может подвергаться или не подвергаться специальной обработке. Она может пройти здесь интенсивную переработку, как это происходит в сетчатке со зрительной информацией. (Сетчатка содержит не только светочувствительные рецепторы, но также несколько взаимосвязанных слоев нейронов, осуществляющих первичную переработку сигналов. Никакой другой из специализированных органов чувств не может одновременно воспринимать и перерабатывать информацию, как это делает сетчатка.) Или же информация в виде исходных данных может быть послана для обработки в другие системы, которые в ней непосредственно нуждаются (например, сенсорная информация от органов равновесия сразу поступает для переработки в ствол мозга).

Таблица 3.2. Пути для специфических видов сенсорных сигналов

Каждая синаптическая связь предполагает возможность переработки сенсорной информации. Упрощенно говоря, информация может быть сконцентрирована путем конвергенции, если группа рецепторов передает ее общим первичным воспринимающим нейронам, или же рассеяна при дивергенции, когда несколько рецепторов посылают ее большому числу воспринимающих нейронов. В некоторых синапсах возможны и более сложные преобразования. Чтобы представить себе, как они происходят, нужно вспомнить два основных типа нервных сетей, описанных в главе 2: иерархические сети, передающие информацию с одного уровня сенсорной системы на другой, и локальные сети, которые действуют в пределах одного уровня, расширяя или ограничивая число нейронов, вовлеченных в общий процесс.

Каждая рецепторная клетка реагирует на события внешнего мира, к которым она чувствительна, в пределах ограниченной зоны, называемой рецептивным полем. Если мы проследим за работой одного зрительного рецептора сетчатки, то увидим, что он возбуждается только тогда, когда свет, проходящий через хрусталик, падает на рецептивное поле данного рецептора. Кожный рецептор воспринимает только то, что происходит в его рецептивном поле — в ограниченном участке, расположенном над ним на поверхности кожи (см. рис. 43). Каждый из рецепторов кожи посылает свой главный сигнал одному сенсорному нейрону спинного мозга; в то же время он передает небольшое количество информации и другим точно определенным мишеням.

Рис. 43. Конфигурация рецептивного поля отдельного спинномозгового нейрона — реагирующего на тактильные раздражители, определяется конвергенцией нервных волокон от кожных рецепторов. Любые тактильные стимулы, попадающие в это поле, воспринимаются как исходящие из одного места. Стимулы, действующие в пределах более мелких участков, вообще не дифференцируются.

Теперь нам должно быть ясно, что переработка информации происходит при взаимодействии между клетками на каждом уровне. Чтобы получить более детальное представление о том, как действует специфическая сенсорная система, давайте рассмотрим некоторые особенности и принципы организации зрительной системы, которая в настоящее время лучше всего изучена, а затем попробуем распространить отдельные выводы на другие сенсорные системы.