Книга: Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Центральное представительство сенсорных систем

Центральное представительство сенсорных систем

Каждая сенсорная система является сложным многозвеньевым образованием, в состав которого входят рецепторы и центры мозга. Она обеспечивает эффекторную реакцию и находится под воздействием сложнейших механизмов регуляторных и управляющих систем мозга. Результаты восприятия и активности биологических объектов меняют «нервную модель стимула», создают «образ результата действия», а также компоненты последующей стимуляции.

Различные рецепторы в специальных органах чувств, разумеется, чувствительны к разным видам стимуляции. Однако нервные импульсы проводниковых систем, отходящих от рецепторных структур, в основном одинаковы. И зрительный, и слуховой, и обонятельный нервы — все они состоят из нервных волокон, проводящих импульсы примерно одинаковой величины. Зачастую эти нервные волокна проводят потенциалы действия одной и той же частоты. По-видимому, головной мозг узнает о типе воздействующего на организм стимула не только на основании того, какие рецепторные образования реагируют на воздействие, но и на основании того, в какую структуру головного мозга поступают импульсы. Особый код, представляющий собой пространственно-временную конфигурацию возбуждения в специфических путях и центрах, несет информацию о качествах стимулов, о состоянии различных структур мозга, возникшем в результате предшествующей стимуляции. Включение механизмов памяти также модифицирует восприятие раздражителя.

Сравним деятельность одиночной клетки простейших организмов и сенсорной системы высокоорганизованных животных. У простейших клетка является и рецептором, и эффектором одновременно. Изменение условий внешней среды вызывает реакцию мембраны клетки. Внутри клетки активируются белки типа актина и миозина, а это вызывает движение простейшего. У высших животных мышечные клетки, сохраняя древнее свойство реагировать на местные раздражения сокращением, приобретают высоко специализированные свойства, в нормальных условиях реагируя на химическое вещество (медиатор), выделяемое нервным волокном в области концевых пластинок, заканчивающихся в мышце. Таким образом, команда к реакции на раздражитель отгорожена от внешнего мира сложнейшей системой структурно-функциональных отношений рецепторов и центров мозга.

Если предположить, что сенсорная информация в зонах переключений, расположенных в различных отделах мозга, не перерабатывается, а только передается в некоторый конечный «главный» пункт, то неясно, зачем необходимо несколько переключений, почему количество их больше у высших животных, чем у низших, и вообще зачем нужны синапсы. С точки зрения теории связи для обеспечения неискаженной передачи информации значительно выгоднее длинные аксоны нейронов, нежели несколько короткоаксонных нейронов, включенных последовательно. Следовательно, можно утверждать, что в зоне синаптических контактов происходит переработка сенсорной информации, ее преобразование. Эти зоны обычно расположены в так называемых ядрах, представляющих собой скопление тел нервных клеток, в которых происходит переключение длинных аксонов. Отметим при этом, что любое преобразование, или, как принято говорить, перекодирование, грозит утратой той части информации, которая воспринимается рецепторами и трансформируется в активность нервных элементов. Измененная под влиянием внешней стимуляции, а затем и внутреннего процесса преобразования сенсорного сигнала активность нервной системы является тем реальным субстратом, который в свою очередь уже в модифицированном по сравнению с исходным виде воспринимает последующие стимулы. А в целом это значит, что перекодирование, трансформация в сенсорных ядрах нервных сообщений не только имеет большое биологическое значение, но и направлена на увеличение эффективности деятельности нервной системы.

Рассмотрим принципиальный план строения различных сенсорных систем, их центральное представительство. Наиболее эволюционно древними и широко представленными в структурах мозга низших позвоночных являются обонятельная и вкусовая системы — хеморецептивные органы чувств. Не вдаваясь в детали строения, отметим некоторые основные черты этих систем. Охватывая почти все передние отделы мозга у низших позвоночных (рыб и амфибий), обонятельная и вкусовая системы занимают ничтожно малую долю нейронных систем мозга млекопитающих. У всех представителей позвоночных хеморецептивные сенсорные системы являются преимущественно ипсилатеральными (односторонними). Это значит, что информация, поступившая на рецепторы одной стороны туловища, передается в центры мозга с той же стороны, либо без, либо с очень малым количеством перекрещенных волокон, идущих к другой половине мозга. Эти системы имеют сравнительно малое число синаптических переключений и соответственно сенсорных релейных ядер: они составлены 2- или 3-нейронными путями. Обонятельная и вкусовая системы представлены в наиболее древних, с эволюционной точки зрения, участках коры большого мозга. Эти системы связаны с вегетативными и мотивационными зонами мозга, а также с пищевыми центрами коры головного мозга четко прослеженными и обширными связями. Это наиболее древние, рано возникшие в эволюции сенсорные системы, имеющие аналоги в химической чувствительности низших беспозвоночных животных.

Соматосенсорная система, или система кожной поверхностной и глубокой чувствительности двигательного аппарата животных, занимает важнейшее место в обеспечении жизнедеятельности организмов, стоящих на всех уровнях эволюционного развития. Она содержит 4—5-нейронный путь к коре большого мозга, имеет перекрещенные волокна, располагающиеся в головном мозге. Эта система также дифференцируется в процессе эволюции, приобретая не только черты более выраженной специализации, но и мощные, многократно дублирующиеся проекции в переднем мозге. По своему объему представительство соматосенсорной системы в мозге различных позвоночных по сравнению с хеморецептивными системами и системами дистантной рецепции меняется в процессе эволюции относительно мало.

Переход от водного к наземному образу жизни привел к изменениям соотношений представительств сенсорных систем в мозге. Преимущественное развитие получили те формации, которые связаны с передачей и переработкой информации о свойствах внешней среды дистантными рецепторами — зрительными и слуховыми. Можно без преувеличения сказать, что подавляющее большинство сведений о мире млекопитающие и человек получают с помощью зрительной и слуховой систем.

Несмотря на то что рецепторное восприятие направлено на получение информации о различных видах энергии и осуществляется различными способами, центральные представительства дистантной рецепции имеют ряд общих свойств. Это — топографически высоко организованные системы, содержащие от 3 до 6 и более нейронов между рецепторной поверхностью и высшими сенсорными центрами мозга. Это системы билатеральные, воспринимающие раздражители, попадающие на рецепторы одной стороны обеими половинами мозга, причем доля перекрещенных систем больше доли систем односторонних, неперекрещенных. Надежную основу восприятия пространства и локализации воздействующего объекта создают 3—5 крупных перекрестов, множественные дублирующиеся представительства периферических воспринимающих поверхностей в различных структурах мозга. И несмотря на то, что зрительная и слуховая системы имеют дело с различными представлениями мира (пространственным и временным), принципы организации их проекционных систем в мозге во многом сходны.

На примере слуховой системы хорошо прослеживаются основные анатомические преобразования периферической рецепторной части, обусловленные ее развитием и совершенствованием у позвоночных животных. Они отражают также все возрастающую специализацию приемника механических колебательных процессов, источник которых отдален от воспринимающего объекта. В. первую очередь следует указать на разделение вестибулярной и слуховой частей лабиринта внутреннего уха и появление у амфибий специализированных слуховых структур в нижней части лабиринта. Затем — обособление и дальнейшее развитие этих структур у рептилий. И, наконец, возникновение у примитивных млекопитающих и развитие у высших млекопитающих специализированного органа слуха — спирально закрученной улитки с расположенным в ней дифференцированным рецепторным аппаратом.

Как же эти существенные изменения в периферическом отделе соотносятся с эволюцией представительства слуховой системы в мозге? Центральные проекции внутреннего уха рыб имеют прямые выходы на группу крупных клеток самого нижнего центрального уровня продолговатого мозга, управляющих движениями туловища. Эти проекции у амфибий и рептилий преобразуются в двусторонне перекрещенную систему, достигающую уровня среднего и промежуточного мозга. У млекопитающих наблюдается дальнейшее развитие центрального представительства внутреннего уха, широко распространенное в мозге и связанное на всех его уровнях с различными двигательными, мотивационными и вегетативными центрами. По мере появления и развития четко ограниченного специализированного слухового отдела внутреннего уха происходит дифференцировка клеточного состава центральных проекций, появление новых групп ядер. Часть последних выполняет регуляторные и эфферентные функции, а часть обеспечивает координированную двигательную активность, связанную с восприятием акустических сигналов. После появления у рептилий и организации у примитивных млекопитающих, в частности у насекомоядных, специфических корковых проекций идет лавинообразное увеличение объема новой коры, в том числе и зон, связанных с деятельностью слуховой системы, достигающее максимального уровня у приматов и человека.

Закономерно возникает вопрос о том, какие же специфические сенсорные функции соотносятся со столь выраженным нейроанатомическим развитием центральных проекций, рассмотренным здесь на примере слуховой системы, но не менее существенным в отношении как зрительной, так и соматосенсорной систем. Электрофизиологические данные, полученные при изучении активности нейронов разных отделов этих трех сенсорных систем, свидетельствуют об усложнении функциональной организации их вышележащих отделов. Наиболее сложные формы активности и рецептивные поля регистрируются на уровне коры большого мозга. В связи с различиями рецептивных полей и их динамики в процессе последовательного действия раздражителей находятся также и функциональные свойства нейронов. Было, например, обнаружено, что по мере повышения уровня слуховой системы они усложняются и специализируются, равно как и возрастает количество таких нейронов, которые в специфических формах активности выделяют определенные сочетания физических параметров стимулов: ритмы и скорости амплитудной модуляции, направление и скорость частотной модуляции. Появляются нейроны «памяти» с выраженным разрядом последействия, возникающим только при определенных сочетаниях параметров стимулов.

Вместе с тем во всех отделах слуховой системы, включая кору больших полушарий головного мозга, существует система нейронов, не несущих специализированных функций и как бы дублирующихся от уровня к уровню. Схематическое изображение иерархического принципа организации слухового анализа, обоснованное нашими экспериментальными данными, представлено на рис. 11.

Множество черт сходства не только в принципах описания сенсорных стимулов, но и в особенностях организации систем центральной обработки информации можно найти и при рассмотрении зрительной и соматосенсорной систем. В зрительной коре высших млекопитающих обнаружены разные типы клеток, относящихся к различным слоям коры, причем в более глубоких слоях расположены относительно «простые» клетки, в функциональном отношении сходные с нейронами предыдущего анатомического уровня зрительной системы. Оптимальным стимулом для таких клеток являются прямые линии. В более поверхностных слоях расположены «сложные» клетки, у которых рецептивные поля шире и сложнее. Выше их лежат «сверхсложные» клетки, отличающиеся еще более замысловатой функциональной организацией. Оптимальными стимулами для клеток более высокого иерархического уровня обработки являются «решетки», составленные из светлых и темных полос. Другими словами, рецептивные поля сложных клеток являются узко настроенными фильтрами пространственных частот.

Рис. 11. Иерархический принцип организации анализа акустических стимулов в слуховой системе (схема).

Римские цифры — условный «уровень» анализа сенсорного сигнала от рецепторной поверхности (I) до таламо-кортикальной системы (IV); арабские цифры — «уровень» специализации нейронов. Светлые квадраты — отсутствие специализации, реакции возникают на широкий набор стимулов, заштрихованные — частичная специализация, двухцветные — высокая специализация, черные — блоки избирательной памяти. Стрелки — стимул.

Определенная часть нейронов соматосенсорной коры избирательно чувствительна к направлению движения стимула через периферические рецептивные поля. Это свойство центральных нейронов обнаруживается также после 2-ступенчатой переработки информации. На основе оценки нейронов различного уровня исследователи пришли к заключению, что в высших корковых отделах соматосенсорной системы картируются как дерматомная и модальная специализация, так и динамические переменные кожных сенсорных стимулов.

Заключая обзор данных, характеризующих центральное представительство сенсорных систем, необходимо подчеркнуть следующее. Получаемая на входе сенсорных систем информация широко распределяется по всем последующим нервным путям в головном мозге. Информация, необходимая для различения определенных свойств стимула, дублируется многими участками центральной нервной системы. И чем больше «этажей» в сенсорной системе, тем большими возможностями восприятия различных качеств стимула располагает организм, тем легче он компенсирует возможные дефекты обработки сенсорных сигналов. Наиболее сложные и тонкие функции сенсорных систем соотносятся с деятельностью их высших отделов — коры большого мозга.

После того как немецкие ученые Э. Гитциг (1869 г.) и Г. Фритч (1880 г.) показали, что электрическое раздражение определенных участков мозга вызывает двигательную активность, а выдающийся русский невролог В. М. Бехтерев (1907 г.) детально описал проекции различных систем в коре большого мозга, проблема функционального назначения разных областей коры привлекла к себе пристальное внимание ученых и стала предметом острых дискуссий. Этому во многом способствовало и развитие нейрохирургии, позволившей исследовать степень участия различных отделов мозга в реализации некоторых сенсорных и двигательных функций.

Для различных областей коры головного мозга составлены карты рецепторно-кортикального соответствия, которые многократно уточнялись и проверялись различными методами. При этом использовались и адекватные для каждой рецепторной поверхности стимулы, и электрическое раздражение различных областей рецепторов, равно как и идущих от них проводников, и функциональные методы оценки утраченных функций после разрушений, и морфофизиологические критерии. Было обнаружено, что рецепторно-кортикальная организация сенсорных проекций не сопровождается соответствием «точка в точку». Центральная проекция не является зеркалом внешнего мира или копией рецепторных областей, а имеет иные законы организации, часто подчеркивающие ту или иную особенность внешнего мира или, вернее, его рецепторного восприятия, специфику дальнейшей структурно-функциональной организации сенсорного анализа. Например, в ганглиозном слое сетчатки человека по сравнению с рецепторным количество клеток в 50—100 раз меньше. На следующем уровне переключений зрительной системы — в таламусе, ближайшей к коре подкорковой зоне, — число зрительных элементов приблизительно такое же, как и в сетчатке. Зато при переходе к коре головного мозга картина диаметрально изменяется. Одиночная клетка подкорковой таламической области связана с 5000 корковых нейронов, а каждый корковый нейрон в свою очередь через дендритные пути связан еще по меньшей мере с 4000 других корковых нейронов. Итак, огромная цифра: один нейрон периферического зрительного прибора и соответственно ближайшей зрительной подкорковой области оказывается связанным с 20 миллионами корковых клеток! Другой, не менее разительный пример: около 30 тысяч волокон слухового нерва разветвляется в ядрах продолговатого мозга в соотношении 1:5, а подкорковые таламические слуховые нейроны связаны примерно такими же соотношениями с корковыми клетками, как и в зрительной системе. Близкие к вышеописанным соотношения известны для соматосенсорного коркового представительства.

Увеличение объема новой коры в филогенезе позвоночных является одним из наиболее ярких показателей эволюции мозга вообще и центрального представительства сенсорных систем в частности.

Увеличение новой коры шло за счет возрастания ее поверхности. Хорошо известно, что своеобразная форма коры, так называемый складчатый плащ, составленный бороздами и извилинами, наиболее выражена у приматов и человека. Однако первичные корковые проекции в эволюции по объему изменяются очень мало. Это, в частности, детально прослежено относительно первичной проекционной зоны AI слуховой коры. При сравнении разных областей коры также выявляются интереснейшие цифры. Количество нейронов, расположенных по вертикали различных областей коры как бы в цилиндре диаметром 30 мкм, измеренное у четырех видов млекопитающих — мыши, кошки, обезьяны и человека, — постоянно и составляет 110. Эта цифра одинакова для соматосенсорной, лобной и височной областей. А вот толщина серого вещества варьирует у разных млекопитающих в три раза и различна для разных областей коры у одного и того же животного.

Показано, что различие в толщине серого вещества коры объясняется вариациями в размерах дендритного дерева и в количестве синаптических контактов в областях так называемого синаптического нейропиля. В то же время соотношение двух основных типов нейронов коры — пирамидных и звездчатых — постоянно и составляет 2:1 в совершенно разных с точки зрения цитоархитектоники и функции областях коры (моторной, соматосенсорной и зрительной) у разных видов животных (макака, крыса и кошка). Новых типов клеток в филогенезе позвоночных не отмечается.

В исследованиях корковых зон различных животных в специальных онтогенетических работах показано, что клеточный состав коры развивается постепенно: сначала возникают клетки глубоких слоев, позже — клетки более поверхностных слоев. До рождения плода цитоархитектонических различий корковых зон, характерных для взрослых животных, еще не существует. Завершение оргазации клеточного состава корковых зон связано с возникновением последних, наиболее поверхностных клеток, и относится к периодам, когда подкорковые таламические волокна достигают корковых зон. После рождения плода все изменения протекают уже в пределах сформировавшихся нейронных структур коры.

Каковы же корреляции видимых морфологических изменений и сенсорного опыта? Если животных, например новорожденных белых крыс, поместить в условия полной сенсорной депривации, т. е. изолировать от действия каких-либо раздражений органов чувств, то оказывается, что у них количество дендритных разветвлений и шипиков пирамидных клеток коры значительно меньше, чем у животных, развитие которых происходит в обычных условиях. Многочисленные экспериментальные данные говорят об увеличении числа дендритных контактов в постнатальном онтогенезе, что эквивалентно росту нервной ткани, хотя новых клеточных элементов не появляется. Существенное значение в формировании связей и объема дендритного дерева имеют сенсорная стимуляция и научение. Причем, как оказалось, особую роль играет не стимуляция вообще, например раздражение глаза рассеянным светом, а структурированные стимулы, характерные для деятельности органов чувств в естественных условиях. Такими стимулами для глаз являются изображения и их детали, для слуха — прерывистые звуки, изменяющиеся во времени по частоте и по амплитуде.