Текст
                    Biology
of Sensory Systems
С. и. M. Smith
Vision Sciences, Aston University,
Birmingham, UK
JOHN WILEY & SONS, LTD
Chichester • New York • Weinheim • Brisbane • Singapore • Toronto

АДАПТИВНЫЕ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ К. Смит Биология сенсорных систем Перевод с английского доктора биологических наук Ю. Б. Шмуклера под редакцией кандидата биологических наук О. Ю. Орлова Москва БИНОМ. Лаборатория знаний
УДК 612 ББК 28.706 С50 Смит К. Ю. М. С50 Биология сенсорных систем / К. Ю. М. Смит; Пер. с англ. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 583 с.: ил. — (Интеллектуальные и адаптивные системы) ISBN 978-5-94774-194-0 (русск.) ISBN 471-890901 (англ.) Книга посвящена строению и работе органов чувств человека и жи- вотных. Помимо нейробиологических рассматриваются эволюционные, молекулярные, гистологические, анатомические, а также философские аспекты. Показано глубокое единство животного мира. Изучение сенсорных систем животных позволит освободиться от антропоцентризма и «увидеть» окружающий мир иными органами чувств. Приведенная в книге библиография и ссылки на интернет-сайты охватывают период от эпохи Аристотеля до начала нашего века. Для учащихся старших классов и студентов, изучающих биологию и поведение животных, а также специалистов, занимающихся моделирова- нием сложного поведения или интеллекта. УДК 612 ББК 28.706 По вопросам приобретения обращаться: «БИНОМ. Лаборатория знаний» Телефон: (499) 157-52-72, e-mail: binom@Lbz.ru http://www.Lbz.ru ISBN 978-5-94774-194-0 (русск.) ISBN 471-890901 (англ.) © 2000 by John Wiley & Sons, Ltd, Baffins Lane, Chichester, West Sussex PO19 IUD, England All rights reserved. Authorized translation from the English language edition published by John Wiley & Sons, Ltd. © БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА Так случилось, что знакомство с автором и его книгой состоялось еще до вы- хода этого произведения в свет, и впечатление было весьма благоприятным. Когда же профессор Крис Смит любезно прислал книгу, сложилось твердое убеждение, что она заслуживает того, чтобы быть переведенной и изданной у нас. Написанная в форме учебного пособия для студентов университетов, она кроме данных по строению и работе органов чувств человека и животных содержит вопросы для проверки того, насколько прочитанное усвоено. По каждому большому разделу приведена литература и дан обзор главных источ- ников, что может заметно облегчить их поиск в библиотеке и Интернете. Все, кого интересует биология и поведение животных, будь то студент, старше- классник или научный работник, найдут эту книгу полезной; она также ока- жет неоценимую помощь преподавателю для ведения спецкурса по сенсорной физиологии. Инженер и психолог, имеющие склонность к техническому и математическому моделированию сложного поведения или интеллекта, также прочтут ее с пользой. Вместе с тем, это отнюдь не справочник, ограниченный всего лишь изло- жением фактических данных; это авторская книга — она несет отпечаток его собственного исследовательского интереса к ряду фундаментальных проблем, от главы к главе вновь и вновь встающих за фактолоТией, касающейся того или иного органа чувств. Эти проблемы, связывающие сенсорику с иными само- стоятельными областями биологии, обогащают книгу и заслуживают того, чтобы специально привлечь к ним внимание. Прежде всего это обращения к временной шкале, относящейся к тому периоду примерно в полмиллиарда лет, на протяжении которого протекала эволюция многоклеточных животных. Можно вспомнить, что изначально ис- точником эволюционных представлений служил преимущественно материал, поставляемый макроморфологией — прежде всего сравнительной анатоми- ей животных. Многообразие живых форм и скелетов ископаемых, особенно позвоночных, бесчисленные вариации в пределах одного плана строения («плана творения») — вот что давало пищу для объяснительных построений, подразумевающих генеалогические взаимоотношения разных ветвей «эволю- ционного древа». Но с развитием молекулярной биологии и успехами в гено- мике возник новый источник независимых данных об эволюции — эволюции того, из чего строятся организмы, и тех генетических текстов, на основе кото- рых все они строятся. Этот материал несет отпечатки событий, с известной точностью даже поддающихся датировке. Вот тема, которая постоянно звучит
6 Предисловие редактора русского перевода в книге благодаря интересу к тому, что дает «сравнительная морфология моле- кул» — например, образующих мембранные каналы. Тема эволюции перекликается с оценкой степени ^^ршенства органа в отношении требований к нему. Приспособительная эволюция подчас упро- щенно понимается как процесс, гарантированно ведущий к предельному со- вершенству органа. Мы склонны повсюду видеть целесообразность и ставить вопрос «зачем?» там, где для этого нет оснований. Есть множество примеров того, что наблюдаемое является чем-то приемлемым, но отнюдь не идеаль- ным. Так, у рыб, в том числе и наших далеких предков, местоположение серд- ца — голова, а не туловище. У нас сердце лежит в грудной клетке, и его иннер- вацию было бы лучше обеспечить нервом, защищенным шейными позвонка- ми и покидающим эту защиту уже на уровне груди, а не черепным (как у всех позвоночных) блуждающим нервом. Каковы бы ни были исторические пред- посылки того, что глаза позвоночных имеют инвертированную сетчатку (в от- личие от глаз головоногих и от медиальных глаз самих позвоночных, например рептилий), не надо искать скрытый приспособительный смысл в том, что свет на пути к рецепторам вынужден проходить сквозь нервные слои сетчатки. То же касается адаптивности продукта эволюции, когда речь идет о пре- дельно малых структурах — молекулах. На этом уровне «морфологии» типич- но, что чем меньше конструкция, тем больше выражена дискретность возмож- ных вариантов. В итог$ некоторые свойства того, что закреплено отбором, оказываются всего лишь попутным следствием жестких требований к иному, существенному параметру. Так, лишь немногие молекулярные конструкции пригодны для нужд фотосинтеза или переноса кислорода кровью к тканям. Следует ли искать целесообразность в красной окраске крови позвоночных или в зеленом цвете листьев растений? Глубоководным и ночным животным было бы полезно иметь зрительный пигмент, поглощающий любые доступные кванты света, т. е. имеющий черный цвет; но все они довольствуются пурпур- ными родопсинами просто потому, что среди трансмембранных белков нуж- ного типа — зрительных пигментов — нет черного. Эволюция глаза позвоночных показывает и такие примеры, когда по тем или иным причинам удачное решение, найденное предками, оказыватся утра- ченным их более «прогрессивными» потомками. Именно так обстоит дело с механизмом аккомодации млекопитающих. Вместо надежного способа активного сжатия эластичного хрусталика по линии экватора (что ведет к уве- личению его выпуклости при смотрении вблизь), — выработанного еще реп- тилиями и сохраненного птицами, — млекопитающие вынуждены полагаться на его упругость, которая и увеличивает его выпуклость в ответ на ослабление натяжения хрусталиковой сумки. Этот нелепый способ аккомодации — источ- ник возрастных проблем с очками для большей части человечества; причина же его кроется в истории становления млекопитающих, прошедших длитель- ный период скрытного образа жизни мелких роющихся животных типа земле- роек, — период, достаточно длительный для того, чтобы был утрачен ряд черт совершенного глаза, свойственного рептильным предкам млекопитающих. В результате их потомкам пришлось изобретать заново способ аккомодации, и найденное решение оказалось не лучшим. Надо помнить, что мы привычно льстим себе, мимоходом вспоминая нечто на тему «от низшего к высшему»,
Предисловие редактора русского перевода 7 о «братьях наших меньших», и думая о самих себе как о венце творения. Мозг, речь и рука человека, безусловно, уникально высоко развиты; но это никак не касается его органов чувств. Вот что имеет в виду Крис Смит, говоря о нашем антропоцентризме. Другая сквозная тема — огромная дистанция между рецепцией и восприя- тием. Самый детальный анализ молекулярной биофизики органа слуха не да- ет ни малейшего понятия о том, как воспринимается устная речь и где в ней за- копан «смысл» слов. Когда от работы глаза, органа слуха и т. д. мы переходим к зрению, к слуховому, тактильному и т. п. восприятию окружающей реально- сти, — мы постоянно имеем дело с чем-то глубоко отличным от «детектирова- ния стимула». Наше восприятие «предметно-ориентировано», нацелено на узнавание предметов по их предметным свойствам, при этом достойно внимания то, на- сколько воспринимаемое нами отличается от исходного сенсорного материа- ла. Всякий без труда отличит наощупь мокрую тряпку от сухой, не подозревая о том, что у нас нет кожных рецепторов влажности, и что это как бы «первич- ное» ощущение есть интеграция того, что дают температурные и тактильные рецепторы. Нам представляется чем-то первичным направление на источник звука — но наша способность чувствовать это есть результат точнейшего сопо- ставления того, что «детектируют» два уха, и эта процедура даже не доступна самонаблюдению. Мы легко узнаем предметы по их окраске — например, от- личаем ярко освещенный черный предмет от белого, лежащего в тени, даже если белый при этом отражает света меньше, чем черный; мы «непосредствен- но» видим цвета этих предметов, не подозревая, какая сложнейшая работа вы- полняется при этом процедурами зрительной константности в зрительных центрах мозга. «Световое ощущение не есть еще зрение. Световое ощущение только тогда становится зрением, когда нам удается при его помощи распозна- вать внешние предметы; следовательно, зрение заключается в понимании све- товых ощущений» — говорил Гельмгольц. При этом на пути к предметному восприятию окружения мы игнорируем огромный поток сенсорной информа- ции — того, что уже «детектировано». «Как мало мы склонны, при ежедневном практическом употреблении органов чувств, задумываться над той ролью, ко- торую они при этом играют; как нас исключительно интересует лишь то из ощущений, что нам доставляет сведения об отношениях внешне" мира, и как мало мы обращаем внимания на те ощущения, которые к этому не приуроче- ны» (Гельмгольц). Здесь мы вплотную подходим к деликатной теме, которую Смит обознача- ет как «трудные философские вопросы». Философские потому, что наши чув- ства (способы восприятия) и мышление были издревле предметом внимания человека, наивных мыслителей древности, натурфилософов недавнего про- шлого, философов и психологов современности. Трудные потому, что их об- суждение сталкивает нас — при первом контакте неожиданно — с двумя нераз- решимыми проблемами (к чему не всякий готов), и обе имеют прямое отноше- ние к работе наших органов чувств. Первая из них звучит вообще как полная нелепость и заключается в том, что нет никаких способов доказать, т. е. обосновать логически, что столь при- вычный нам окружающий мир — знакомый нам зрительно, на слух и на-
8 Предисловие редактора русского перевода ощупь — существует реально, а не только в нашем, скажем, воображении. Да- же такой яростный полемист и защитник материализма, как автор «Материа- лизма и эмпириокритицизма», вынужден был признать, что никакими довода- ми, силлогизмами или рассуждениями невозможно пробить брешь в системе построений последовательного солипсиста: если я упрямо утверждаю, что все мое окружение, со всеми плюсами и минусами, включая моих оппонентов и их высказывания, виртуально, — то выхода из этого тупика нет! Философские построения в этой области по сути дела есть система выска- зываний, и этой системе подобает удовлетворять требованиям логики, гаран- тирующей от явных ошибок. Но как быть, если краеугольный камень постро- ений — тезис об объективности окружающего мира — не поддается логически безупречному обоснованию? Если позволить себе принять очевидное, без дока- зательств, то есть «на веру», то где критерии того, что можно и чего нельзя при- нимать на веру (без логического обоснования) в дальнейшем? Тот факт, что в квантовой физике тоже есть как бы похожие трудности — принцип неопре- деленности (его упоминает Смит), а в математике тоже обнаруживается некая неполнота аксиоматики, выявленная Гёделем, — не может служить утешени- ем: это не снимает драматизма положения того, кто одновременно хочет быть и безупречно корректным в своих высказываниях, и видит неразрешимость этой проблемы. Другая проблема звучит не так нелепо, но тоже содержит одну непреодоли- мую неприятность: нет абсолютно никаких способов непосредственно срав- нивать наши ощущения, которые суть предмет нашего субъективного мирово- сприятия. Конечно, каждый склонен полагать, что наши ощущения красного, соленого и пр. одинаковы, и я тоже верю, что это так; но что же это за наука, если мы вынуждены прибегать к вере? Действительно, сравниваем ли мы на- ши ощущения (или слова!), даже когда произносим одинаковые слова, глядя, скажем, на один и тот же красный объект? А если мы не можем их даже срав- нивать, то как можно говорить, что они правильно отражают реальность? Последовательный анализ этой проблемы потребовал бы слишком долгого обсуждения, здесь не вполне уместного, и мы ограничимся только важным вы- водом и иллюстрацией к нему. Вывод состоит в том, что сенсорика и вся сис- тема восприятия служат задаче построения в мозгу модели внешнего мира, и модель эта в чем-то похожа на комбинацию привычного нам глобуса с поли- тической картой мира: изображенные на нем пространственные отношения кардинально отличны от способа его раскраски. Первые отражают свойства, обязательные для нужд построения действий, и каким бы способом они ни бы- ли пблучены — зрительно ли, наощупь, с помощью вибрисс, или же на слух (посредством эхолокации), — все они должны быть между собой в согласии. Все они должны удовлетворять непреложным императивам нашего трехмер- ного мира. Совсем другое дело — как раскрашена карта, на которой требуется различать разные страны и видеть общность принадлежности чьих-то разоб- щенных территорий. Нам привычно видеть все, принадлежащее Англии, — зе- леным, Франции — лиловым; но это есть чистая условность, и неуместен во- прос: «Правильно ли мы делаем, изображая английское — зеленым», и т.'д. В известном смысле, субъективно знакомая каждому палитра его ощущений цвета, запахов и вкусов также условна, и ее информативность определяется
Предисловие редактора русского перевода 9 тем, что от чего она позволяет нам отличить. «Видеть — значит различать». В этом смысл концепции символов (или иероглифов), которой придерживал- ся Гельмгольц. Приведенная параллель с глобусом позволяет, быть может, ближе понять еще одну сквозную тему в книге Смита: то, что другие существа, с иным неже- ли у нас сенсорным вооружением, обитают в иных, отличных от нашего, сен- сорных мирах, которые нам, зрительно-ориентирующимся приматам, трудно себе даже представить. Что значит — быть летучей мышью и «видеть» с помо- щью эхолокации? Представим себе, что нужно определить размер и форму предмета на- ощупь, не глядя на него, например ощупывая чем-то вроде палочки. Решив эту задачу таким способом, мы вряд ли сможем описать результат в терминах сво- их тактильных ощущений. Мы объективизируем ощущения, и нужный нам ре- зультат является сложной интеграцией первичных сенсорных данных, порой недоступных нашему вниманию и запоминанию. Можно допустить, что лету- чая мышь также игнорирует акустическую природу своего локационного сиг- нала и всего сенсорного «сырья», из которого для нее складывется целостная картина обязательных пространственных отношений — неподвижных препят- ствий, открытого пространства, мелких порхающих объектов (ее добычи), и вся эта картина, предназначенная для ориентации в полете, в некотором смысле не так сильно отлична от привычной нам, получаемой совсем иным способом — зрительно. ♦ * ♦ Не такая простая задача — охватить круг вопросов «от ионных каналов до Декарта», т. е. от элементарных процессов на молекулярном уровне, ультра- структуры и нейрологии в той или иной модальности, до целостного восприя- тия внешнего мира и места органов чувств в теории познания. Независимо от достоинств книги К. Смита, осуществить ее перевод и издание в нынешних условиях тоже непросто. Большой удачей явилось знакомство с издательством «БИНОМ. Лаборатория знаний», взявшим на себя заботы и риск такого пред- приятия, и наконец то, что перевод книги был поручен издательством опыт- ному переводчику и квалифицированному биологу, доктору биологических наук Ю. Б. Шмуклеру. Его внимательное и ответственное отношение к делу отчасти отражено в его многочисленных примечаниях переводчика. Вряд ли кто-либо, тем более редактор перевода, мог бы быть экспертом во всех разде- лах столь обширной области биологии, как сенорные системы. Редактору по- могли своими консультациями его коллеги, специалисты по сенсорике: Н. Г. Бибиков, Б. Д. Васильев, В. И. Говардовский, А. В. Минор, Е. М. Макси- мова, И. Н. Пигарев, Г. И. Рожкова и А. Я. Супин, — которым он приносит свою глубокую признательность. О. Ю. Орлов
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ В первую очередь я хотел бы поблагодарить редактора русского издания Оле- га Орлова, инициировавшего перевод моей книги, переводчика Юрия Шмук- лера и всех, кто осуществил это предприятие. Знакомству с профессором Ор- ловым послужил мой запрос на разрешение воспроизвести иллюстрацию (из книги Ярбуса), которая в моей книге стала рисунком 23.2. Я встретил с его стороны живой интерес — оказалось, что нас обоих глубоко интересует сочетание молекулярного и эволюционного подходов в изучении сенсорных систем, и мы оба чувствуем, как важно не погрязнуть в деталях и видеть «картину в целом» глазами философа. Я надеюсь, что это издание покажет читателям в России и во всем русскоговорящем мире интерес такого подхода. Конечно, мне доставляет большое удовольствие и делает честь, что моя ра- бота переведена на язык Ивана Павлова, Александра Лурия, Льва Выготского и многих других выдающихся российских нейробиологов. Я надеюсь, она по- знакомит русского читателя — студентов и научных работников — с большим массивом англоязычных публикаций за последние 60 лет, для этого я снабдил каждую главу книги большой библиографией. С пришествием Интернета и эры электронных публикаций стало много легче знакомиться с журнальными статьями. Хотя киберпространство почти исключительно англоязычно, но возможно, развитие средств электронного перевода даст иноязычным студен- там больший доступ ко многим электронным литературным источникам. Исследования сенсорных систем показывают глубокое единство животно- го мира. Хотя на первый взгляд биосфера кажется населенной почти бесчис- ленным количеством разнообразных видов, при более внимательном изуче- нии оказывается, что все они построены на основе общих молекулярных и биохимических механизмов. Конец XX — начало XXI веков — это героичес- кая эпоха в изучении генома. Были расшифрованы геномы множества важ- ных организмов, включая, конечно, Homo sapiens. Потрясающе, что варианты тех же генов, что у низших форм, таких как круглый червь Caenorhabditis ele- gans, работают и в нас самих. Нигде это так не проявляется, как в генах, кон- тролирующих молекулярную структуру и физиологию органов чувств. На- пример, похоже, что гены, ответственные за механорецепцию у С. elegans (ге- ны тес) родственны генам, активным в одной из наиболее сложных сенсор- ных систем человека — внутреннем ухе (см. гл. 7 и 8). Сходным образом ген Рах-6участвует в раннем развитии глаз во всем животном царстве — от дрозо- филы до человека и головоногих (гл. 14). В своей основе животный мир един; возникновение и эволюция всех основных биологических процессов и струк-
Предисловие к русскому изданию 11 тур могут быть прослежены до их общих предковых форм, затерянных в глу- бинах времени. Примеры потрясающего внутреннего единства не должны заслонять для нас огромного разнообразия организмов и их сенсорных систем, которые раз- вились за более чем полмиллиарда лет эволюции. Царство животных включа- ет более тридцати групп, или типов, с различным планом строения (гл. 4), и каждый из них развивался независимо в течение сотен миллионов лет. Соот- ветственно, и их органы чувств эволюционировали под контролем отличаю- щихся условий окружающей среды и образа жизни. Удивительны примеры так называемой конвергентной эволюции, когда к весьма схожим решениям приходили исходно очень далекие виды (сравните черты сходства и различия глаз хордовых и белемноидов). С другой стороны, в животном царстве наблю- дается огромное разнообразие органов чувств, нередко дающих очень похо- жие результаты при большом различии структур (сравните глаза и слуховые органы насекомых и позвоночных). Такие огромные различия сенсорных органов и систем должны, в конце концов, привлечь внимание философов, занимающихся эпистемологией. Что значит «быть летучей мышью»? Так называлась знаменитая и оказавшая на многих влияние статья философа Томаса Нагеля. Действительно, что?* Что значит — воспринимать мир посредством какой-то из чуждых нам сенсорных систем, рассматриваемых в этой книге? Этот вопрос не слишком глубоко за- рыт на многих страницах этой книги, а в главах 22 и 23 рассмотрен напрямую. Животные существуют в сенсорных мирах, очень отличных от привычного нам. «Если бы лев умел говорить, — замечает философ Людвиг Витген- штейн, — мы бы не сумели его понять». Насколько же труднее представить себе мир в восприятии существ, эволюционно еще более далеких от нас! На- деюсь, одним из результатов изучения сенсорных систем животных станет ос- вобождение от узкого антропоцентризма, это заставит включить воображе- ние, чтобы увидеть мир иными органами чувств, почувствовать свежесть и новизну и заново ощутить своеобразие нашего собственного восприятия. К. Ю. М. Смит Университет Эстон Бирмингем Соединенное Королевство Сентябрь 2004 г. С. U. М. Smith Aston University Birmingham, UK September 2004
Посвящается Розмари ПРЕДИСЛОВИЕ Каждому человеку свойственно стремление к познанию. Это видно по тому, какое удовольствие мы испытываем от собственных ощущений; даже независимо от их пользы, они нам нравятся сами по себе... Аристотель, Метафизика, кн. 1, 980а Эта книга возникла на основе многолетнего опыта преподавания биологии сенсорных систем в университете. Она отличается от множества других пре- восходных трудов по этому предмету тем, что, помимо нейробиологических, охватывает и эволюционные, молекулярно-биологические, а также философ- ские аспекты. Люди — не единственные существа на поверхности этой плане- ты, которые обладают сенсорными системами. Мы очень тесно соприкасаем- ся с другими биологическими формами, населяющими биосферу. Некоторые из этих форм — другие хордовые, в частности, связаны с нами, пусть и весьма отдаленно, общим планом строения; другие, такие как моллюски и членисто- ногие, развивались независимо более полумиллиарда лет. Сравнения между этими формами часто показывают, как сходные сенсорные проблемы находят различные, а иногда поразительно схожие решения. В основе всех этих реше- ний лежат сенсорные клетки и молекулярные механизмы, которые делают их особенно чувствительными к тем или иным формам энергии, поступающей из внешней среды. Один из важнейших шагов последних десятилетий в на- уке — это понимание того, что все эти молекулярные механизмы часто оста- ются теми же самыми у нематоды и у человека. В основе невообразимого многообразия сенсорных систем в биосфере лежит их поразительное единст- во. Наконец, сенсорные системы создают каждому из нас собственный субъ- ективный мир. Когда мы изучаем сенсорные системы на самих себе или на животных, с которыми мы делим эту планету, мы не должны терять общего понимания проблемы, которую ставит перед нами таинственный переход (если это переход?) между миром молекул, клеток и нервных путей со всеми их потрясающими тонкостями, к совершенно иным мирам запахов, звуков и красок, которые мы ощущаем каждый день. Это остается важнейшей фило- софской проблемой современности, и она будет возникать снова и снова на страницах этой книги. Изучение сенсорных систем образует мост между миром биофизики, моле- кулярной биологии, нейрофизиологии, с одной стороны, и миром высшей нервной деятельности и психологии — с другой. Я надеюсь, что обзор, сделан-
Предисловие 13 ный на последующих страницах, сможет сформировать основу, на которой бу- дут строиться конкретные исследования. Предмет науки о сенсорных систе- мах, как и все другие аспекты современной науки, — безбрежен. Все, что я по- пытался сделать в последующих главах — это дать основу, рамки последующих исследований. Чтобы разобраться во всех этих работах, необходимо будет при- бегнуть к возможностям библиотек и доступных теперь электронных баз дан- ных, поэтому в книгу включена достаточно полная библиография. Для боль- шей легкости обращения с литературными ссылками они не включены в текст, а собраны в конце каждой из шести частей книги и снабжены краткими биб- лиографическими введениями. Наконец, в конце каждой из частей сгруппи- рованы вопросы для самоподготовки. Эти вопросы выделены в тексте, после прочтения главы студенту стоит вернуться к ним, чтобы убедиться, что ответы на них приходят на ум сами собой. Если — нет, то ссылка на соответствующий раздел текста поможет освежить память. Ни одна книга, а уж тем более ни одна книга по такому необозримому предмету, как биология сенсорных систем, не возникает в совершенном виде, подобно сияющей доспехами Афине, родившейся из головы Зевса. Все, как давным-давно сказал Исаак Ньютон, опираются на работы бесчисленных предшественников и современников. В этой книге литературные ссылки охва- тывают период с середины 1999 года до эпохи Аристотеля и предшественни- ков, живших две с половиной тысячи лет назад. Соответственно и я благода- рен бесчисленным исследователям прошлого и настоящего. В особенности это касается многих современных исследователей, давших разрешения на вос- произведение их диаграмм и рисунков, ибо сказано, что одна толковая иллю- страция стоит тысячи слов, а современные книги и научные статьи изобилуют высококачественными штриховыми и полутоновыми рисунками. Я чрезвы- чайно признателен авторам и их издателям за разрешение на воспроизведение иллюстраций. В этой краткой главке возможно упомянуть лишь немногих из тех, кто по- мог мне. Список этих людей в алфавитном порядке (английского алфавита) включает: проф. Т. Оллисона за самые свежие данные об участках головного мозга, связанных с чувствительностью лица, проф. Пола Бах-и-Рита за по- мощь по разделу, касающемуся сенсорного замещения, проф. Джона Э. Брюг- га за рисунки, показывающие расположение участков слуховой коры у кошек и обезьян, проф. Алана Дж. Бенсона за улучшенные диаграммы волосковых клеток улитки, проф. Олега Ю. Орлова за ценную информацию по зритель- ным системам и зрению, проф. Эдриана Хорриджа за информацию о глазах членистоногих, проф. Джима Пиклза за сканирующие электронные микрофо- тографии волосковых клеток улитки. Я хотел бы также поблагодарить двух анонимных рецензентов чернового варианта текста за компетентные замеча- ния; там, где возможно, они были учтены. Как обычно, противоречия оста- лись. Так что все ошибки и недоразумения — на совести автора, а не его кон- сультантов. Как указывалось в начале данного предисловия, эта книга возникла из опыта преподавания биологии, а позднее и оптометрии, студентам универси- тета Эштон. Список тех, кому я благодарен, был бы неполон без упоминания их чуткой реакции на мой курс — как всегда, учитель учится не меньше, а ино-
14 Предисловие гда и больше, чем ученик. В отличие от лабораторий компьютерного обуче- ния — это двусторонний процесс. Я хотел бы поблагодарить моих универси- тетских коллег за поддержку и обсуждение книги, а также за то, что они дали мне время и возможности для выполнения данного проекта. Техническая под- держка была неоценима, мне очень помог компьютер, информационные тех- нологии и знания по фотографии. Наконец, я не могу не упомянуть с благо- дарностью своего издателя, который, как и в случае с моими предыдущими книгами, справился с тем, чтобы совместить иллюстрации, вопросы, списки литературы, таблицы, приложения, вставки и оглавление так, чтобы получил- ся текст, который (надеюсь) найдет признание среди студентов и других чита- телей в начале нового тысячелетия. КЮМС Ноябрь 1999
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ 1. ОСНОВЫ Происхождение: глубокая древность — РНК и ДНК — «эгоистичные ге- ны». Аллостерические эффекторы: конформационные изменил — коопе- ративная аллостерия — протеинкиназы и фосфатазы. Мембраны: липи- ды — жидко-кристаллическая структура — белки — подвижность. Рецеп- торные молекулы: семидоменная (7ТМ) конформация — молекулярная структура — связь с G-белком — десенситизация. Мембранные сигналь- ные системы: G-белки — структура — биохимия взаимодействий — раз- личные эффекторы — различные вторичные мессенджеры. Каналы и воротные механизмы: медиаторные и потенциал-зависимые ионные ка- налы— Ка+-канал, структура и функция. Заключение: вездесущность мо- лекулярных элементов Три с половиной миллиарда лет назад первые предшественники прокариот возникли в уже тогда древнем океане. Еще до того в первичном бульоне появи- лись примитивные самовоспроизводящиеся молекулы. Вероятно, наиболее ранним репликатором была РНК, а не ДНК, поскольку некоторые формы РНК (рибозимы) обладают ферментативной активностью, а репликация в этом случае протекает быстрее. Хотя репликация ДНК более эффективна, она всегда зависима от белковых ферментов, что трудно себе представить в прими- тивном океане. Следовательно, более сложный процесс репликации ДНК дол- жен был развиться позднее. Однако, эффективная репликация РНК или ДНК, a fortiori (в особенности) — последней, зависит от множественности молекул. Из этого следует, что эти молекулы должны находиться в достаточной близос- ти друг от друга. Возможно, что все началось с их адсорбции на какой-либо обычной поверхности, например на глинах. Однако наиболее эффективным средством удержания взаимодействующих молекул вместе было помещение их в тонкий мешочек или пузырек. Простейшие современные прокариоты — это микоплазма. Самое малое из них имеет диаметр 0,3 мкм и содержит не более 750 различных типов белков, но даже эти крошечные клетки куда более продвинуты, чем протоклетки, сущест- вовавшие три с половиной миллиарда лет назад, поскольку они, как и современ- ные клетки, используют ДНК, а не РНК, как наследственный материал. Так или иначе, рассматриваем ли мы простейшие из живых клеток или их гипотетиче- ских предшественников, одно их выделяет — они существуют как отдельности в окружающей среде. Их внешние мембраны отграничивают внутреннюю сре- ду от внешней. Биологи с философскими наклонностями прослеживают про- исхождение индивидуального организма до этого изначального периода.
16 Часть I. Предварительные сведения Все организмы живут в окружающей среде. Все организмы тем или иным образом реагируют на окружающую среду. Это то, что отличает их от неоду- шевленных предметов. Ясно, что поверхностная мембрана, отграничивающая организм от окружающей среды, должна играть критически важную роль. Именно здесь развиваются специализации, которые способны детектировать благоприятные и неблагоприятные изменения. Иными словами, именно здесь возникает простейшая сенсорная система. Будучи информирован об измене- ниях в окружающей среде, организм может реагировать на них благоприятным для себя образом. Благоприятным для чего? В конечном счете, преимущества могут быть прослежены до уровня физической химии реплицирующихся мо- лекул. Те из них, которые реплицируются более эффективно, поглощают больше доступных ресурсов и выживают. Итак, начнем с начала: рассмотрим элементы, из которых построена сен- сорная система. 1.1. Аллостерические эффекторы Учебники биохимии и по молекулярной биологии говорят, что ферментатив- ные белки имеют сложную трехмерную структуру. Ковалентно связанная пер- вичная структура, состоящая из одной или более аминокислотной цепочки, свернута в сложную конформацию, т. н. третичную структуру. Эта структура стабилизирована многочисленными «слабыми» взаимодействиями: водород- ными связями, вандерваальсовыми и гидрофобными силами и т. д. Стоит под- черкнуть, что каждая из этих сил по отдельности слаба. Тогда как энергия еди- ничной ковалентной связи составляет около 100 ккал/моль (двойные и трой- ные связи, обладают, соответственно, большими энергиями), водородная связь характеризуется энергиями всего в 1—5 ккал/моль, а гидрофобные и очень короткодистантные вандерваальсовы силы — всего около 1 ккал/моль. Хотя, по сравнению с ковалентными связями, все они очень слабы, однако ча- Рис. 1.1. Принципиальная схема действия аллостерического эффектора на актив- ность фермента. АЕ — аллостерический эффектор, AS — активный сайт, Е — фер- мент, S — субстрат. Когда АЕ связывается с ферментом, индуцируются изменения трехмерной конформации последнего (показанные стрелками), так что AS стано- вится недоступным для субстратной молекулы (S).
1. Основы 17 Рис. 1.2. Белок с боковой цепью (серин, треонин или тирозин), обозначенной на рисунке «аа». Протеинкиназы фосфорилируют боковую цепь за счет АТФ. Проте- инфосфатазы затем дефосфорилируют боковую цепь. сто они чрезвычайно многочисленны. Большое число таких слабых взаимо- действий и поддерживает сложную конформацию белковой молекулы. В то же время это означает, что такая пространственная структура фермен- тативного белка чрезвычайно хрупка и легко ранима. Это также означает, что такая структура может легко перестраиваться из одной конформации в другую. Именно эта черта лежит в основе феномена аллостерии. В сущности, это озна- чает, что когда молекула (или лиганд) связывается с одним из сайтов на по- верхности белка, это вызывает изменения конформации, которые демаскиру- ют активные сайты в других участках белка. В известном смысле это может рассматриваться как наиболее примитивная сенсорная система — белковая молекула меняет свое поведение в ответ на какой-либо фактор окружающей среды (рис. 1.1). Аллостерические переходы играют настолько важную роль, что можно сказать, что они лежат в основе всей клеточной биологии. Мы еще не раз столкнемся с этим на последующих страницах. Часто такие аллостерические переходы встречаются у белков, состоящих из более чем одной субъединицы. В таких случаях связывание лиганда с аллостерическим сайтом одной из субъ- единиц вызывает изменения, которые облегчают связывание лигандов с алло- стерическими сайтами других субъединиц. Такое явление известно как коопе- ративная аллостерия и может приводить к более существеннным изменениями поведения аллостерического белка. Одним из наиболее эффективных факторов, вызывающих аллостерические переходы, является фосфорилирование. Мы будем сталкиваться с этим меха- низмом снова и снова при изучении молекулярных основ сенсорных систем, так что стоит рассмотреть его несколько более’подробно. Реакция фосфорили- рования катализируется протеинкиназой. Протеинкиназы образуют большое семейство из нескольких сотен белков, каждый из включает каталитический домен из 250 аминокислот. Основная реакция состоит в переносе фосфатной
18 Часть I. Предварительные сведения группы с АТФ на гидроксильную группу боковой цепи аминокислот субстрат- ного белка. Только три аминокислоты — серин, треонин и тирозин — обладают гидроксильной группой в боковых цепях, так что только эти аминокислоты и могут участвовать в реакции, которая схематически представлена на рис. 1.2. Протеинкиназы, фосфорилирующие субстратные белки (что ведет к алло- стерическим переходам в последних) сами находятся под аллостерическим контролем. В этой книге нет необходимости углубляться в биохимические тонкости процесса, однако стоит упомянуть о других ферментах — протеин- фосфатазах, которые в цитозоле присутствуют, чтобы ликвидировать послед- ствия деятельности киназ (рис. 1.2). Эти ферменты устраняют фосфат с суб- стратного белка, что позволяет последнему возвратиться к исходной конфор- мации. 1.2. Мембраны Второй элемент любой сенсорной системы — это биомембраны. Хотя наибо- лее древние мембраны, сформировавшиеся в первобытные времена, могли быть построены из аминокислот, все современные биологические мембраны (или биомембраны) состоят из липидного бислоя с белковыми включениями. Кроме того, большинство биомембран содержит и углеводы. Липиды образу- ют матрикс или основу, в которую погружены белки, а углеводы (там, где они присутствуют) присоединены либо к липидам (гликолипиды) или к белкам (гликопротеины) (рис. 1.3). Липиды На рис. 1.3 видно, что липиды образуют бимолекулярный слой. Они разделя- ются на три большие группы: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды (в част- ности, холестерин). В этой книге нет необходимости обсуждать детали их структуры — стандартные учебники по биохимии дают полную информацию. Важно отметить, что все эти молекулы относятся к амфипатическим, т. е. час- тично растворимым в воде, а частично — в органических растворителях. Ти- пичный мембранный липид на одном из концов молекулы несет электроста- тический заряд и, таким образом, может связываться с водорастворимыми веществами, а другой конец, ковалентно не связанный с электростатическим зарядом, чувствует себя, как дома, в органическом растворителе. Поскольку и внеклеточная, и внутриклеточная среда практически исключительно водные, липиды, образующие бислойную мембрану, выстраиваются так, что их гидро- фильные «головы» обращены в водную среду, а гидрофобные «хвосты» — друг к другу (изолированно как от водной среды снаружи, так и внутри клетки). Не- которые типичные мембранные липиды показаны на рис. 1.4. Из того, что было сказано выше, а также рис. 1.3 и 1.4 ясно, что биологиче- ские мембраны — это весьма тонкие структуры. Составляющие, их липиды удерживаются гидрофобными силами и случайными электростатическими взаимодействиями их «головных» групп. Чрезвычайно свободная структура липидного бислоя означает, что при комнатной температуре индивидуальные молекулы пребывают в постоянном движении. Действительно, гидрофобные
1. Основы 19 Рис. 1.3. Мембрана быстро заморожена до температуры жидкого азота и вскрыта сколом. Плоскость скола проходит через середину липидного бислоя. Рисунок показывает, как белки погружены в мембрану, а также положение углеводных цепей, проецирующихся с наружной поверхности («strings of sausages»). Воспроизводится по Биргит Сатир «The final steps of secretion», Scientific American, October 1975, p. 33, с разрешения управляюще- го имуществом Бунджи Тагава. жирнокислотные хвосты молекул липидов сравнимы с корзиной змей, пере- плетенных в постоянном движении. Внутренность мембраны, таким образом, с любой точки зрения представляет собой органическую жидкость. Мы еще увидим, что эта чрезвычайная текучесть липидного матрикса биомембран имеет существенное значение, когда будем рассматривать G-белок-связанную передачу сигнала. Не все липидные составляющие биомембран столь же лабильны, как фос- фолипиды. Холестерин, в частности, — это совершенно другой тип молекулы. Как показано на рис. 1.4, молекула холестерина состоит из трех составных час- тей: гидрофильной «головы» — гидроксильной группы, жесткого тарелко- образного стероидного кольца и гибкого гидрофобного хвоста. Количество холестерина в мембране значительно варьирует; когда он присутствует, увели- чивается жесткость мембраны и уменьшается ее текучесть. Текучесть мембраны определяется, на самом деле, не только количеством присутствующего в ней холестерина, но и длиной и насыщенностью жирных кислот, образующих ее основу. Искусственные мембраны, образованные ли- пидами только одного вида, обладают достаточно резкой характеристикой
20 Часть I. Предварительные сведения мн, I сма I сн, о I О"—Р =0 I о I I с=о с=о I I сма СМ2 I I СН2 См, I I СН2 Сма I I Сна Сна I I си, СИ, сна СНа I I СИ. СИ. Сна сна I । СНа СМ2 I I Сма CMj I I 0*2 СНа I I сна СМ2 I I сн3 CMj I СНэ I СИ. СН3 I СМ, снД iCHj-N’-CHjI » । ! \ сн, / (Г-Р—О I ________9______________Край липидной С1_|2___________________фазы мембраны Н—С—NH-C=O I I но-с—н сн2 сн сн, сн схНг 'сн, ,СНг ' СН2 Липидная \2 фаза мембраны СН2 / СН2 СчНг СН2 ZCH2 СН2 СН3 СН2 СН2 СН2 сн2 сн2 сн2 СНЭ Б ® NANA -Gal I Glc CH3 В сн2 СНэ—СН Рис. 1.4. Некоторые распространенные липиды мембран. (А) Фосфатилилхолин (леци- тин); (Б) сфингомиелин; (В) ганглиозид; (Г) холестерин. Пунктирная линия символизи- рует длинную алифатическую цепь. Gal — галактоза, Glc — глюкоза, NANA — N-ацетил- нейраминовая кислота.
1. Основы 21 данного фосфолипида — «температурой перехода» от жидкого состояния к ге- лю. Эта температура варьирует в различных местах естественной биомембра- ны, в зависимости от количества холестерина и насыщенности фосфолипид- ных «хвостов». Естественная мембрана может, таким образом, рассматривать- ся как мозаичная структура с различной степенью текучести. Белки В «лоскутное одеяло» биомембраны погружены белки. Хотя гликолипиды (та- кие, как молекулы клеточной адгезии) очень важны для клеточного распозна- вания, все же наиболее важные характеристики биомембран обусловлены не липидами, в белками. Количество белка в мембранах варьирует от 20% (мие- лин) до прибл. 75% массы (внутренняя мембрана митохондрий). Большинство мембран содержит по массе около 50% белка. Большинство белков (как показано на рис. 1.4), погружено в мембрану. Они «плавают», как айсберги в переменчивом «море» фосфолипидов, или, если посмотреть на это иначе, образуют мозаику в жидком фосфолипидном матриксе. По этим причинам такая концепция структуры биомембран назы- вается «жидкостно-мозаичной» моделью. В некоторых случаях белки прони- зывают весь бислой и соприкасаются как с внутриклеточным, так и внекле- точным пространствами. В других случаях белки присоединены к мембране цепью жирной кислоты, фосфолипидом или пренильной группой. В этих случаях сам белок расположен в цитозоле. Некоторые из этих вариантов при- соединения белков показаны на рис 1.5. Мы еще увидим впоследствии, что мембранно связанные белки образуют базовые элементы всех сенсорных ре- цепторов. Рис. 1.5. Некоторые пути, которыми белки ассоциируются с мембраной. Цилинд- ры внутри мембраны символизируют а-спирали. (А) Одиночная а-спираль прохо- дит через мембрану; (Б) многочисленные а-спирали проходят через мембрану; (В) белок соединен с цитоплазматической частью бислоя жирнокислотной цепью или пренильной группой (важный пример такого типа связи — G-белки); (Г) бе- лок, погруженный в мембрану, нековалентно связан с другим белком в цитозоле.
22 Часть I. Предварительные сведения Трансмембранные белки построены таким образом, что гидрофобные до- мены погружены в мембрану, а гидрофильные обращены в водные — внутри- клеточный и(или) внеклеточный компартменты (см. рис. 1.5) По сравнению с глобулярными белками водного цитозоля внутримембранные домены мемб- ранных белков в известном смысле перевернуты: их гидрофобные аминокис- лотные остатки обращены кнаружи, а гидрофильные загнуты внутрь. Это обеспечивает способность белка удерживаться в мембране. Очень часто, как это показано на рис. 1.5, внутримембранные домены состоят из а-спиральных сегментов. Опять-таки, огромное большинство аминокислотных остатков, об- разующих а-спирали, гидрофобны. Исследования включения ферментативных белков в искусственный ли- пидный бислой показывают, что активность таких белков кондиционируется их липидным окружением. Характеристики бислоя, такие как длина жирно- кислотной цепи, степень их насыщенности и природа липидных «голов», вли- яют на биологическую активность фермента. Точно так же, как на водорас- творимые ферменты влияют характеристики водного окружения (pH, концен- трация солей и т. д.), так ферменты, погруженные в слой липидов, зависят от конкретной структуры последних. Подвижность белков Мы уже сравнивали мембранные белки с айсбергами, плавающими в липид- ном море. Поэтому неудивительно, что многие из них обладают значительной латеральной подвижностью. В следующем разделе мы увидим, что эта по- движность с большим эффектом была использована в формировании сиг- нальных систем, основанных на перемещениях белков в плоскости мембра- ны. Коэффициент диффузии белков составляет от прибл. 10“9 см2/с для зри- тельных пигментов наружного сегмента палочек до прибл. 10“11 см2/с для других белков. В первом случае белок проходит около 0,1 мкм в секунду, а во втором — 0,001 мкм/с. Существует множество причин для таких больших раз- личий подвижности. Во-первых, это может происходить вследствие различий липидного состава мембран, который, как указывалось выше, влияет не ее те- кучесть. Белок может быть также частью большого комплекса с другими бел- ками, который оказывается слишком большим, чтобы легко перемещаться. Подвижность может быть затруднена не принадлежащими собственно мем- бране структурами, такими как щелевые и тесные контакты, а также десмо- сомы и т. д. Последнее по порядку, но далеко не последнее по важности — возможность того, что мембранные белки заякорены за элементы примем- бранного цитоскелета. 1.3. Рецепторные молекулы На границе между организмом и окружающей средой располагаются рецеп- торные молекулы. Не все органы чувств обращены такими молекулами во внешнюю среду, однако две важные экстероцепторные системы организованы именно так — хеморецепторы и фоторецепторы. Даже сенсорные системы, ко- торые не полагаются на рецепторные молекулы в детектировании изменений
1. Основы 23 окружающей среды, механо- и терморецептивная, тем не менее используют (как мы увидим ниже) мембранные белки, хотя и несколько иным образом. Хемо- и фоторецепторные клетки имеют особую белковую организацию, сходную с той, которая обнаружена в рецепторных молекулах, реагирующих на нейромедиаторы в множестве синапсов. Полипептидные цепи таких рецеп- торов семь раз проходят через мембрану (рис. 1.6). Из-за такой организации — с семью трансмембранными сегментами, рецепторы именуются семидоменны- ми (или 7ТМ), а иногда и змеевидными. Многие, но далеко не все семидомен- ные рецепторы эволюционно связаны. Они принадлежат огромному суперсе- мейству белков — согласно расчетам до 2% генома может быть занято кодиро- ванием этих вездесущих рецепторов. Схематическое изображение на рис. 1.6 А показывает, как семь трансмем- бранных сегментов расположены в мембране. Оно также показывает наличие больших внутри- и внеклеточных доменов. Рис. 1.6 Б показывает, что в реаль- ности семь трансмембранных сегментов образуют как бы пилоны полой ко- лонны, ориентированные подобно лепесткам диафрагмы объектива или клеп- кам в бочке. Семидоменные рецепторы не только имеют общую архитектуру, но и мем- бранно-связанные средства усиления сигнала. Этот механизм (и мы увидим это в следующем разделе) основывается на латеральной подвижности белков, в данном случае — G-белков, в биомембранах и на том обстоятельстве, что ли- пидный бислой удерживает эти белки в тесной близости, так что они не могут Рис. 1.6. Архитектура семидоменного рецептора. (А) схематическое изображение: семь трансмембранных сегментов обозначены цилиндрами и цифрами от 1 до 7. N-конец расположен внеклеточно, к нему обычно присоединены углеводные ос- татки (т. е. он гликозилирован), что обозначено знаками «Y». Внеклеточные петли обозначены е-1, е-2, е-3, они также могут быть гликозилированы. Внутриклеточ- ные петли i-1, i-2, i-З представляют собой места распознавания для специфических G-белков. Темными точками обозначены места фосфорилирования для протеин- киназ, а крестиками — сайты, на которые воздействуют специфические десенсити- зирующие протеинкиназы. (Б) Трехмерная конформация рецептора в мембране.
24 Часть I. Предварительные сведения диффундировать в цитозоль. Тонкий структурно-функциональный анализ се- мидоменных рецепторов показал, что первая, вторая и третья цитоплазмати- ческая петли (i-1, i-2 и i-З), а также карбоксильный конец (рис. 1.6 А) критич- ны для связывания с G-белком, при этом третья петля особенно важна в рас- познавании специфических G-белков. Кроме того, показано, что рецептор, подвергнутый длительному воздействию лиганда, значительно уменьшает свою чувствительность — это явление известно как десенситизация. С ним мы также неоднократно столкнемся на последующих страницах. Десенситизация происходит вследствие активности специфических протеинкиназ (см. раз- дел 1.1), фосфорилирующих гидроксильные группы серинового, треониново- го и тирозинового остатков карбоксильного конца рецептора. Эти остатки обозначены крестиками на рис. 1.6 А. Помимо того сериновые, треониновые и тирозиновые остатки подвергаются воздействию неспецифических протеин- киназ (обозначены кружками). Фосфорилирование, как было показано в раз- деле 1.1, меняет трехмерную конформацию рецептора. Чувствительность вос- станавливается при дефосфорилировании одним из многих фосфатазных фер- ментов, распространенных в цитозоле. 1.4. Мембранные сигнальные системы Внешние мембраны клеток, разграничивающие внешнюю среду и цитозоль, развили множество биохимических механизмов, которые преобразуют внеш- ние стимулы в передаваемые в цитозоль сигналы. 1.4.1. G-белки Когда семидоменная рецепторная молекула, локализованная в мембране сен- сорной клетки, активируется какими-то изменениями во внешней среде, она претерпевает конформационные изменения. Последние детектируются G-бел- ками, связанными с мембраной, которые, в свою очередь, активируют эффек- торные молекулы в мембране. Часто это приводит к выделению вторичных мессенджеров в цитозоль. Этот процесс схематически показан на рис. 1.7. G-белки, участвующие в передаче сигнала, являются членами еще одного большого надсемейства белков, в данном случае — гуанин-связывающих бел- ков. G-белки — это прецизионные регуляторы, включающие или выключаю- щие активность других молекул. Все G-белки «включаются» при связывании с ГТФ и «выключаются» гидролизом ГТФ до ГДФ. Этот гидролиз катализиру- ется ГТФ-азной активностью самих G-белков. Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение секунд — десятков секунд. G-белки биологических мембран имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой а-субъединицы (около 45 килодальтон — кДа), а также меньших р- и у-субъединиц (рис. 1.8). а-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной («выключенной») форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы р и у связаны между собой, и в физио- логических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоя- нии р-у-комплекс непрочно связан с а-субъединицей. у-субъединица связана с цитоплазматическим листком биологической мембраны геранил-геранило-
1. Основы 25 Рис. 1.7. Схема G-белок сиг- нальной системы. S — стимул; R — мембранный рецептор; Е— эффектор (фермент, ион- ный канал и т. д.); М — вторич- ный мессенджер. Внеклеточное Цитозоль м вой цепью (20 атомов углерода в цепи), близкой по структуре к холестерину, а-субъединица также связана с мембраной жирной кислотой с длиной цепи в 14 атомов углерода (миристоевая кислота). Такие связи обеспечивают то, что комплекс G-белка удерживается в плоскости мембраны, но в то же время спо- собен легко двигаться в этой плоскости. Легко себе представить, как весь ком- плекс G-белка с присоединенным ГДФ перемещается в плоскости мембраны под действием тепловых сил. а-субъединицы чрезвычайно вариабельны. Например те, что обнаружены в обонятельной системе, существенно отличаются от таковых в зрительной системе. 0- и у-субъединицы менее гетерогенны, хотя известно множество различных их типов. Такая молекулярная гетерогенность дает возможность организовать гибкую высокоадаптивную сигнальную систему. Мы обсудим ее детали по мере того, как будем сталкиваться с ней в конкретных случаях в сле- дующих главах. Когда комплекс G-белка, перемещающийся в мембране, входит в контакт с активированным семидоменным рецептором, это приводит к освобождению ГДФ. Вследствие избытка в цитозоле ГТФ диффузия последнего обеспечивает занятие освободившегося сайта. После того, как это происходит, тримерный комплекс G-белка разделяется. 0- и у-субъединицы, остающиеся соединенны- ми между собой, диссоциируют от а-субъединицы, далее эти части комплекса двигаются своими отдельными путями, а-субъединица с присоединенным с ней ГТФ способна взаимодействовать с «эффектором» в мембране — фермен- тами, такими, как аденилатциклаза, или, возможно, ионными каналами. Фермент может активироваться или ингибироваться, а ионный канал — от- крываться или закрываться. Конкретные примеры будут рассмотрены в после- дующих главах. Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, по- Внеклеточное пространство Рис. 1.8. Конформация гетеро- тримерного мембранно-свя- занного G-белка, а-субъеди- ница изображена с полостью, символизирующей сайт связы- вания ГДФ или ГТФ. Мембрана Цитозоль
26 Часть 1. Предварительныесведения Рис. 1.9. Сигнальная система G-белка в биологической мембране. (А) фаза покоя; (Б) лиганд присоединяется и активирует рецептор; (В) G-белок сталкивается с активи- рованным рецептором, диссоциирует, и а-субъединица теряет ГДФ; (Г) а-субъединица активируется, присоединяя ГТФ; (Д) а-субъедница присоединяется к эффектору и ак- тивирует его, эффектор, в свою очередь, катализирует синтез вторичного мессенджера; (Е) дефосфорилирование ГТФ деактивирует а-субъединицу, которая отсоединяется от эффектора, готовая начать весь цикл сначала. Пунктирное окрашивание рецептора на рисунке символизирует активацию; Е — эффектор; L — лиганд; R — рецептор. ка а-субъединица, являющаяся ГТФ-азой, удерживает ГТФ. Так что, очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, а-субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность акти- вировать эффектор. После этого а-ГДФ взаимодействует с р-у-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл (рис. 1.9). До недавнего времени полагали, что р-у-комплекс не играет серьез- ной роли в мембранной сигнализации. Теперь это ставится под сомнение — существуют данные о том, что этот комплекс может играть независимую роль. Возможно, что он способен ингибировать активность свободной а-субъеди- ницы или независимо влиять на мембранные эффекторы. 1.4.2. Эффекторы и вторичные мессенджеры Существует целый ряд классов эффекторных молекул: циклазные ферменты, фосфолипазы, фосфодиэстеразы, мембранные каналы. Мы будем сталкивать- ся с этими эффекторами на следующих страницах этой книги. Соответствен- но, существуют и различные типы вторичных мессенджеров: цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфат (ИФ3), диацилглицерин (ДАГ) и вездесущий ион Са2+. В данном разделе будут рассмотрены только два типа эффекторов — аденилат-
1. Основы 27 циклазы (АЦ) и фосфолипаза С-р (ФИФ2-фосфолипаза), которые продуциру- ют важные вторичные мессенджеры. Мы также рассмотрим роль фосфодиэс- тераз и мембранных каналов, а также других вторичных мессенджеров по ме- ре необходимости в дальнейших частях этой книги. Аденилатциклазы Эти ферменты катализируют формирование цАМФ, вездесущего и, возмож- но, самого важного вторичного мессенджера в клетках животных. Наиболее существенная роль цАМФ состоит в активации цАМФ-зависимых протеинки- наз (ПК). Будучи активирован, этот мультимерный фермент фосфорилирует (при участии АТФ) тот или иной из множества биологически активных бел- ков, представленных в клетке — ферментативных, рецепторных и канальных белков, ядерных гистонов, факторов транскрипции и т. д. Фосфорилируются, как правило, сериновые, треониновые или тирозиновые остатки, что приво- дит либо к ингибированию (ср. упомянутую выше десенситизацию G-белок- связанных рецепторов), либо активации белка. Последующее дефосфорили- рование, восстанавливающее исходное состояние, обеспечивается одним из множества фосфатазных ферментов цитозоля. Молекулярно-биологическими методами показано существование в клет- ках млекопитающих по крайней мере шести различных аденилатциклаз. Все они имеют молекулярную массу около 120—130 кДа, а исследование их гидро- фобной части показывает наличие 12 трансмембранных сегментов. Шесть циклаз различаются по чувствительности к р-у-комплексу G-белков и к Са2+- связывающему белку кальмодулину. Аденилатциклаза типа 1, например, сти- мулируется Са2+-кальмодулином и ингибируется p-y-димером, тогда как аде- нилатциклаза типа 2 не реагирует на первый и стимулируется вторым. Фосфолипаза С-р (ФЛС-р или ФИФ2-фосфолипаза) Активация этого важного вторичного эффектора приводит к продукции двух вторичных мессенджеров: инозитолтрифосфата (ИФ3) и диацилглицерина (ДАГ). Оба вторичных мессенджера формируются в результате расщепления фосфолипазой С-р фосфолипида — фосфатидилинозитол 4,5 бифосфата (ФИФ2), который в основном содержится во внутреннем листке плазматичес- кой мембраны (рис. 1.10). Рис. 1.10 показывает рецептор, взаимодействующий с неким внешним сиг- налом, что приводит через G-белковый механизм к активации погруженной в мембрану ФЛС-р. Последняя реагирует с ФИФ2, образуя ИФ3 и ДАГ. ИФ3 — это водорастворимая молекула и потому легко диффундирует в цитозоль. Здесь он может взаимодействовать с соответствующими рецепторами в мем- бранах эндоплазматического ретикулума, что приводит к освобождению Са2+. Эти ионы имеют многочисленные эффекты на клеточную биохимию. В конце концов ИФ3 инактивируется инозитолтрифосфатазой. С другой стороны, ДАГ — гидрофобное вещество и потому остается в мембране. Мы не закончили рассмотрение данной системы, поскольку еще не рассмо- трели функцию ДАГ. Он взаимодействует с мембранно-связанной протеинки- назой — протеинкиназой С (ПКС), эта реакция является Са2+-зависимой. Сле-
28 Часть I. Предварительные сведения Рис. 1.10. Путь формирования вторичного мессенджера, включающий ФЛС-р. Активация рецептора ведет через G-белок-связывающую систему к активации ФЛС-р. Последняя расщепляет мембранный липид фосфатидилинозитол-дифос- фат на ИФ3 и ДАГ. ИФ3 диффундирует в цитозоль; ДАГ остается в мембране. Бо- лее полное рассмотрение — в тексте. довательно, когда концентрация Са2+ в цитозоле повышается (эффект, который мы видели в случае ИФ3), ДАГ активирует ПКС. Такая активация также требу- ет участия фосфолипида — фосфатидилсерина, который присутствует во внут- реннем листке мембраны. Активированная ПКС может активировать белки, вызывающие специфические биохимические ответы. В нейронах продемонст- рирован целый ряд таких реакций, в том числе синтез и секреция нейромедиа- торов, изменение чувствительности рецепторов и функции цитоскелета. Из изложенного выше ясно, что G-белковая система обеспечивает чрезвы- чайно гибкий способ трансформаци внешнего сигнала во вторичный мессен- джер, который может диффундировать в цитозоль. Вторичных мессенджеров достаточно много (в зависимости от эффекторного фермента), однако наибо- лее распространенным является циклический АМФ (цАМФ). Альтенативным вариантом, как упоминалось выше, может быть воздействие а-субъединицы на работу мембранного канала, что в свою очередь может изменять электриче- скую полярность мембраны. 1.5. Каналы и воротные механизмы Как показано выше, биомембрана состоит из белков, погруженных в липид- ный бислой, эффективно препятствующий проникновению гидрофильных веществ через мембрану. Погруженные в бислой белки часто формируют гид- рофильные каналы, через которые могут проходить неорганические ионы и другие водорастворимые вещества. Некоторые из этих каналов, т. н. «каналы утечки», позволяют ионам, например ионам калия, перемещаться по градиен- ту концентрации в клетку или из нее; другие играют более активную роль и действуют как воротный механизм, контролирующий ионные потоки. Мы встретим множество примеров таких каналов и воротных механизмов на последующих страницах. Они разделяются на две основные категории: активи- руемые лигандам и потому называемые медиаторными ионными каналами (МК) и управляемые потенциалом на мембране (потенциал-зависимые каналы, ПЗК).
1. Основы 29 1.5.1. Медиаторные каналы (МК) Существует множество МК. Наиболее интенсивно исследуемым является нико- тиновый ацетилхолиновый рецептор (н-АХР). Он представляет собой большой (268 кДа) пентамерный белок, погруженный в мембрану. Пентамер объединяет две (по 461 аминокислоте) а-субъединицы, одну (493 аминокислоты) р-субъ- единицу, одну — (506 аминокислот) у-субъединицу и одну (522 аминокислоты) 6-субъединицу. Каждая из субъединиц образует 4 трансмембранных сегмента (рис. 1.11 А), а все вместе 5 субъединиц компактно собраны вокруг центральной ионной поры (рис. 1.11 Б). Когда лиганд, в данном случае ацетилхолин (АХ), присоединяется к сайтам связывания двух а-субъединиц, канал открывается и одновалентные катионы двигаются по электрохимическому градиенту. Известно много других типов МК, они активируются различными медиа- торами (серотонином, глицином, у-аминомасляный кислотой — ГАМК и т. д.) и все эти основные типы МК подразделяются на множество подтипов. Что ка- сается сенсорных систем, наиболее важные МК, обнаруженные в обонятель- ных и фоторецепторных клетках, чувствительны к циклическим нуклеотидам (ЦНВ). Структура ЦНВ-воротных каналов будет описана в главе 13 (раздел 13.2.3). В отличие от н-АХР-каналов, белок субъединицы образует 6 трансмем- бранных сегментов, а целый канал состоит из четырех субъединиц. 1.5.2. Потенциал-зависимые ионные каналы (ПЗК) Существует также множество типов ПЗК. Все они активируются изменениями мембранного потенциала и различаются по типу ионов, движение которых ре- гулируют. Таким образом, есть огромное множество потенциал-зависимых К+-каналов, а также различные типы С1“-, Са2+- и Ка+-каналов. В данном Рис. 1.11. (А) Схематическое изображение а-субъединицы н-АХ-рецептора. Четыре спи- рали, представленные цилиндрами, пересекают мембрану. И С-, и N-концы локализова- ны внеклеточно. (Б) Сечение рецептора. Пентамерная структура целого рецептора свер- ху. Предполагается, что вторая спираль каждой субъединицы образует поверхность поры.
30 Часть I. Предварительные сведения Внеклеточное пространство Рис. 1.12. Схема расположения Ка+-канала в мембране. Четыре домена помечены I, II, III, IV. В реальности четыре домена формируют трехмерный агрегат с цент- ральным каналом. Дальнейшие объяснения —• в тексте. разделе мы ограничимся только рассмотрением потенциал-чувствительного Ма+-канала. Именно этот канал ответствен за восходящую фазу потенциала действия и является, таким образом, определяющим элементом возбудимых тканей, таких, как нервы и поперечно-полосатая мускулатура. В следующих главах мы увидим, что потенциал покоя на мембране боль- шинства клеток составляет около 50—60 мВ (заряд внутриклеточной среды от- рицательный по отношению к внеклеточной). Казалось бы — немного. Одна- ко, следует помнить, что биологические мембраны очень тонки — не более 6—7 нм, так что разность потенциалов, на самом деле, очень значительна. Градиент потенциала в 60 мВ на 6 нанометрах составляет 105 В/см. Потенци- ал-зависимые белки в этом интенсивном электрическом поле ведут себя очень специфически. Любые изменения градиента потенциала воздействуют на конформацию ПЗК и, соответственно, открытое или закрытое состояние ионного канала. Структура Ка+-канала была объектом интенсивных исследований и к на- стоящему времени хорошо известна (схематически показана на рис. 1.12). Этот массивный полипептид (1820 аминокислот), как показано на рис. 1.12, состоит из четырех последовательных гомологичных друг другу доменов, каж- дый из которых образует шесть трансмембранных спиралей. Четвертая из них (S4) в каждом домене содержит множество положительно заряженных амино- кислотных остатков (особенно, аргинина и лизина), что и образует, как пола- гают, «сенсор потенциала», чувствительный к изменениям потенциала на мембране. Предполагается, что между пятой (S5) и шестой (S6) трансмембран- ной спиралями в каждом домене полипептидной цепи формируется «шпиль- ка» (Н5), входящая в мембрану. Если представить трехмерную форму белка как полого цилиндра, «шпилька» выстилает пору и обеспечивает ионную се- лективность. Наконец, внутриклеточный сегмент полипептида между гомоло- гичными доменами III и IV ответствен за инактивацию канала. Физиология Na+-канала также глубоко исследована. Показано, что, когда разность потенциала на мембране падает ниже определенного порога, канал открывается на прибл. 1 мс и пропускает ток порядка 2 пА. По прошествии 1 мс времени открывания канал закрывается и не откроется больше, пока мем- брана остается деполяризованной. Инактивация, как говорилось выше, связа- на с сегментом полипептида между доменами III и IV, блокирующим канал.
1. Основы 31 Рис. 1.13. Цикл изменения конформации натриевого канала. (А) В покоящейся мембране натриевый канал закрыт. Активирующий воротный механизм (AG) за- крыт, инактивирующий (IG) — открыт. (Б) Когда мембрана деполяризуется, изме- нение потенциала детектируется «сенсором потенциала», и активирующий меха- низм открывается. Ионы натрия двигаются по электрохимическому градиенту. Они перепрыгивают с одного сайта в канале на другой (как показано на рисунке) и, таким образом, «двигаются колонной». (В) Через 1 мс инактивирующий меха- низм закрывается. (Г) Когда мембрана возвращается к уровню потенциала покоя, активирующий механизм закрывается, а инактивирующий — открывается снова. Таким образом, канал существует в трех основных конформациях: закрытой, открытой и инактивированной. Этот цикл показан на рис. 1.13. Точное время открывания и закрытия канала точно непредсказуемо, иными словами — это стохастический процесс. Кроме того, каждый участок возбуди- мой мембраны обладает большой популяцией Ка+-каналов, и порог открыва- ния каждого из них несколько варьирует. По мере того, как возбудимая мем- брана деполяризуется, открывается все больше №+-каналов. Входящий поток ионов Na+ деполяризует и, в конце концов, даже реполяризует мембрану, обра- зуя то, что электрофизиологи называют потенциалом действия (спайк). Био- физика потенциала действия будет рассмотрена в следующей главе (раздел 2.6). 1.5. Заключение В этой главе мы построили фундамент для дальнейшей работы. Рассмотрен- ные здесь элементы будут возникать в дальнейшем снова и снова при обсуж- дении специализированных и часто очень сложных сенсорных систем, воз- никших в эволюции царства животных. В частности, будет показано, что био- химия биомембран, рецепторов и G-белковых систем связаны с механизмом, контролирующим полярность мембран сенсорных клеток и окончаний. Это именно та тема, которой посвящена следующая глава.
2. МЕМБРАНА И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ Ионы и вода: распределение в мембране. Потенциал покоя (Кт): измере- ние — гигантский аксон — уравнение Нернста — уравнение Голдмана — примеры. Электротонический потенциал и кабельное проведение: локаль- ные токи — электротоническое проведение — рецепторный потенциал — генераторный потенциал. Сенсорная адаптация: быстрая и медленная адаптация — биофизические механизмы. Потенциал действия: рефрак- терный период устанавливает предел частоты — миелинизация — ско- рость распространения — классы аксонов. Заключение: вездесущность молекулярных и биофизических компонентов — редукционизм — про- блема соотношения мозга и мышления Как было показано в гл. 1 ’ с самого начала липидная биомембрана является гра- ницей между первичными клетками и окружающей средой. Поскольку ныне су- ществующие клетки эукариот содержат множество внутренних мембран (мито- хондриальные, мембраны эндоплазматического ретикулума, лизосом и т. д.), стоит выделить внешнюю мембрану как плазматическую. Мы видели выше, что белковые элементы плазматической мембраны эволюционировали в направле- нии детектирования изменений во внешней среде и (в некоторых случаях) сигна- лизации об этих изменениях через мембранно-связанный G-белок. Плазматиче- ская мембрана также развила средства контроля движения различных веществ в клетку и из нее. Следует помнить, что основой современных биомембран являет- ся липидный бислой. Гидрофильные вещества не могут (по определению) диф- фундировать через гидрофобный барьер липидного бислоя. Здесь не место для рассмотрения множества механизмов, которые сформированы клеткой, чтобы обойти это препятствие, однако, один из них должен быть рассмотрен здесь в не- которых деталях. Это — механизм или, скорее, группа механизмов, которые кон- тролируют движение малых неорганических ионов через мембрану. Неорганические ионы, конечно, водорастворимы. Электростатический за- ряд позволяет им входить в водную структуру и смешиваться с ней (рис. 2.1). С другой стороны, он препятствует их смешиванию с органической фазой, ко- торая в данном случае представлена липидным бислоем. Чтобы пропустить их внутрь, необходимы гидрофильные «поры» в биомембране. Множество видов таких пор возникло с тех пор, как первые прокариоты возникли три с полови- ной миллиарда лет назад. Во всех случаях — это сложные белковые структуры, погруженные в мембрану. Как мы увидим в последующих главах, таких кана- лов много и типы их различны. В целом, каналы очень специфичны в отноше- нии того, какие ионы они пропускают.
2. Мембрана и потенциал действия 33 Рис. 2.1. Ионы в водной структуре. Молекулы воды электрически поляризованы. Поскольку кислород оттягивает на себя электрон от водорода, локальный отри- цательный заряд связан с этим концом молекулы. Равный ему и противополож- ный по знаку заряд связан с другим концом. Вследствие этого молекуля воды стремятся образовать структуру вокруг положительно или отрицательно заря- женных ионов, таких как С1_ или Na+, изолируя их друг от друга в растворе. Сам факт, что ионы — это заряженные частицы, означает что их распреде- ление у мембраны может быть выражено в электрических величинах. Еще со времен Гальвани и Вольта в конце восемнадцатого столетия известно, что функционирование нервной системы связано с электрическими явлениями. Однако только к середине XX века, когда были развиты электрические (в осо- бенности, электронные) технологии, а также адекватные биологические пре- параты (гигантский аксон) удалось добиться истинного понимания «животно- го электричества». В данной главе мы рассмотрим в первую очередь происхождение потенциала покоя ( Ут ), который существует на плазматической мембране, и покажем, как он меняется, когда рецепторные клетки подвергаются воздействию стимула и формируют т. н. «рецепторные потенциалы». Затем мы рассмотрим пассивные свойства электрических токов — т. н. кабельное или элекгротоническое проведе- ние, которое играет важную роль во всех сенсорных и нейросенсорных клетках. Наконец, мы кратко рассмотрим природу рецепторного и генераторного потен- циалов, сенсорной адаптации и важного феномена потенциала действия. 2.1. Измерение потенциала покоя Уже говорилось, что потенциал покоя формируется на всех плазматических мембранах. Большинство клеток, в особенности нейронов и сенсорных кле- ток, крайне малы. Хотя сейчас методы исследования их электрических харак- теристик уже развиты, очень долго не удавалось провести точные измерения. Осознание того факта, что огромная трубчатая структура с диаметром 500—600 мкм у кальмара Loligo представляет собой гигантский аксон, имело огромное значение для электрофизиологов. Наконец-то они получили воз- можность ввести тонкие стеклянные микропипетки, заполненные электро- литом, в аксон и измерить электрическую полярность мембраны непосредст- венно (рис. 2.2). Оказалось возможным и выдавить аксоплазму, как пасту из тюбика, и подвергнуть ее химическому анализу (табл. 2.1). Большинство пио- 2 Биология сенсорных систем
34 Часть I. Предварительные сведения Рис. 2.2. На схеме показан стеклянный микроэлектрод, заполненный раствором КС1, введенный в гигантский аксон. Элек- трический контур проходит через вольт- метр на пластину электрода на внешней поверхности аксона. нерских работ, которые установили физические основы потенциалов покоя и действия были выполнены на этом общепринятом препарате. Используя условия, показанные на рис. 2.2, было обнаружено, что внутри- клеточный электрод регистрирует на мембране падение потенциала на прибл. 50 мВ. Этот потенциал был определен как потенциал покоя, Кт. Что же вызы- вает формирование разности потенциалов на мембране? 2.2. Ионные основы потенциала покоя Мы уже отмечали, что был определен ионный состав аксоплазмы (табл. 2.1). Известно также, что существуют уравнения физической химии, которые свя- зывают электрический потенциал на мембране с распределением ионов, спо- собных проникать через нее. Наиболее известно уравнение Нернста, которое может быть записано в форме: (2.1) RT [1]0 И =------In — 1 ZXF [1], В уравнении 2.1 Kj — потенциал на мембране (в вольтах, хотя обычно это ве- личины порядка милливольт), возникающий вследствие распределения иона I; R — газовая константа; Т — температура по Кельвину; F— число Фарадея (ве- личина электрического заряда на моль одновалентного иона); Zx — валент- ность иона (+1 для Na+ и К+; -1 для СГ); In — натуральный логарифм; [1]о и [I]i — концентрации иона I по внешнюю и внутреннюю стороны мембраны, соответственно. Важно отметить, что одной из посылок, из которой получено уравнение Нернста, является то, что мембрана полностью проницаема для рассматриваемого иона. При выполнении этого условия и известных равно- весных концентрациях иона на мембране можно предсказать равновесный электрический потенциал.
2. Мембрана и потенциал действия 35 Таблица 2.1. Концентрации ионов внутри и во внешней среде некоторых из обсуждаемых клеток Ион Внутриклеточная концентрация Внеклеточная концентрация 7. Гигантский аксон кальмара мМ/кг Н2О ' мМ/кг Н2О К+ 400 20 Na+ 50 440 Са2+ 0,4 10 Mg2+ 10 54 сг 100 560 Органические ионы =385 — 2. Мышечные клетки млекопитающих мМ мМ К+ 155 4 Na+ 12 145 Mg2+ 30 1-2 Са2+ 1-2 2,5-5 Cl- 4 (только 10 4 в свободной форме) 120 Органические ионы =150 — 3. Моторный нейрон кошки мМ мМ К+ 150 5,5 Na+ 15 150 СГ 9 125 Проверим уравнение заменой некоторых значений концентраций К+ по обе стороны мембраны. Во-первых, если предположить, что концентрации К+ по обе стороны мембраны равны, тогда подстановка их в уравнение Нернста обращает часть под логарифмом в единицу. Поскольку логарифм 1 — ноль, то уравнение дает нулевой потенциал на мембране. Это, собственно, то, что и наблюдается. Когда клетка погибает, мембрана утрачивает целостность, а ее насосные механизмы исчезают. Ионы движутся по своим градиентами кон- центраций до тех пор, пока их концентрации по обе стороны мембраны не уравниваются, а потенциал на ней не исчезает. Теперь проверим уравнение подстановкой значений концентраций [К+]о (около 5,5 мМ) и [К+][ (около 150 мМ), показанных в табл. 2.1. Тогда или RT 5,5 Vy.------In ----- k ZlF 150 = -0,027 In 0,036 = - 0,089 В = — 89 мВ
36 Часть I. Предварительные сведения Эта величина известна как нернстовский калиевый потенциал Ик или потен- циал реверсии для калия. Смысл последнего термина состоит в том, что, когда на мембране удерживается такой градиент потенциала, отсутствует какой-ли- бо результирующий поток этого иона через мембрану. Измерение реального потенциала покоя Ит на клеточной мембране обычно дает значения между —50 мВ и —75 мВ. Кк очевидно больше этих величин, однако совпадает по зна- ку и порядку величины. Если, однако, подставить в уравнение Нернста зна- чения концентраций других существенных ионов (СГ, Na+ и т. д.) получаю- щиеся значения (ИС1, KNa и т. д.) отличаются от Ит очень сильно. Особенно это заметно, если подставить значения концентраций для Na+. Причины таких отклонений понять нетрудно. Клеточные мембраны —- это очень сложные структуры. Их проницаемость для разных ионов резко разли- чается и, как было отмечено выше, уравнение Нернста работает только в слу- чае ионов, для которых мембрана полностью проницаема. Известно, однако, что и ионы натрия, и ионы хлора имеют очень маленькие коэффициенты про- ницаемости через покоящиеся биомембраны. Далее, важно, что Ит зависит не от трансмембранного распределения како- го-то одного вида ионов, а от распределения всех ионов. Таким образом, для более полного понимания природы потенциала покоя следует обобщить урав- нение Нернста. Оно должно учитывать различную проницаемость мембраны для разных ионов и то, что существенен не один тип ионов, а много. Уравнение, о котором идет речь, выведено Дэвидом Голдманом и впослед- ствии стало известно как уравнение Голдмана. Его иногда называют и «уравне- нием постоянного поля», поскольку предполагается, что электрическое поле на мембране (градиент электрического потенциала Кт) неизменно, что, конечно, очень большое допущение. Тем не менее, уравнение Голдмана дает полезное первое приближение оценки биофизической ситуации на мембране. Оно запи- сывается следующим образом: V=1LX ^[К+]0+Рка^а+]0+Рс1[СГ]; . F П PK[K+]i+PNa[Na+]i+Pcl[Cn0 где Р — константа проницаемости иона, квадратные скобки обозначают, как это принято, концентрации иона с внутренней (обозначены «i») и внешней (обозначены «о») стороны мембраны, a R, Ти F— их обычные значения. Отметьте, что, если внешние концентрации катионов К+ и Na+ помещены в числитель уравнения, то внешняя концентрация аниона СГ — в знамена- тель. Проведем еще несколько опытов. Во-первых, если мы примем константы проницаемости для Na+ и СГ равными нулю, то уравнение вырождается в уравнение Нернста для калия. Сходным образом, если принять Рк = РС1 = 0, уравнение сводится к уравнению Нернста для Na+ и дает HNa равным потенци- алу на мембране (величина проницаемости для Na+ удалена). Липидный бислой плазматической мембраны, как это было показано в на- чале данной главы, полностью непроницаем для неорганических ионов. Они перемещаются через мембрану по каналам, образованным мембранными бел- ками. Многие из этих т. н. «каналов утечки» еще не охарактеризованы пол-
2. Мембрана и потенциал действия 37 ностью. Проницаемость плазматической мембраны для гидрофильных ионов зависит от этих каналов. «Пропускная способность» этих каналов у разных клеток варьирует. Нейроглиальные клетки, например, вероятно, более прони- цаемы для К+, чем нейроны. Большинство сенсорных клеток, однако, сходны с нейронами по их боль- шей проницаемости к К+, чем к С” и Na+: РК >:> ^Na Можно привести некоторые данные по сравнительной проницаемости, по- лученные из измерения потоков радиоизотопов ионов через плазматические мембраны: Рк = 10“7 см/с РС1 = 10”8 см/с = 10“8 см/с Подставим эти константы проницаемости и соответствующие концентра- ции ионов (табл. 2.1 — мотонейрон кошки) в уравнение Голдмана: !Z П ПОТ , Х 10-7 I5’5!) + Х 10'8 11501) + О Х 10-8 19D Vm = 0,027 In----------------------s-------------;----- (lx IO"7 [150]) +(1 x 10"8 [15]) +(1 x 1(Г8 [125]) (55 х IO"8) +(150 х IO"8) + (9x IO"8) = 0,027 In----------z----------------------- (1500 x 10"8) +(15 x 10"8) +(125 x IO"8) = -0,055 В = -55 мВ Это значение Km действительно очень близко к значению потенциала покоя у мотонейронов кошки, наблюдаемого при микроэлектродной регистрации. Теперь посмотрим, что происходит, если повысить калиевую проницае- мость на порядок. Если подставить в уравнение величину Рк = 1 х 10“6 см/с, все остальные параметры оставив неизменными, получим Ит = —83 мВ Уже было отмечено, что некоторые глиальные клетки существенно более проницаемы для К+, чем мембраны нейронов. Потому-то Ит на мембранах глиальных клеток заметно выше, чем потенциал покоя мембран нейронов. В сетчатке, как мы увидим в гл. 16, крупные глиальные клетки — мюллеров- ские клетки, имеют Ит от —70 до —90 мВ. Эта большая, чем обычно, К+-про- ницаемость, вероятно, имеет существенное значение для устранения избытка К+, образующегося в клетках сетчатки в ответ на освещение. Избыток К+ за- тем растворяется в жидкости стекловидного тела. Напротив, если повысить в уравнении Голдмана константу проницаемости для Na+, можно предсказать значительное понижение Ит. Мы столкнемся с важным случаем такого изме- нения концентрации, когда будем рассматривать биофизику палочек сетчатки в глдве 16.
38 Часть I. Предварительные сведения В конце данной главы стоит отметить, что значительно легче измерять от- носительные, а не абсолютные проницаемости для ионов, поэтому уравнение Голдмана часто записывают в несколько ином виде: RT [К]о + />[Nal + с[С1]= V=-----In —---------------—— (2.3) F [K]j + *[Na]. + c[Cl]o где „ b=P^/PK И C = PC\/PK Поскольку ион хлора играет меньшую роль во многих нейрофизиологических функциях, уравнение иногда упрощают еще больше: RT , [К] + ^[NaJi ----In----------------- р [K]i + 6[Na]i (2.4) Мы еще, однако, увидим, что хотя ион хлора несущественен в многих областях нейрофизиологии, он играет ключевую роль в гиперполяризации в тормозных синапсах и в других случаях. В таких и подобных случаях важно использовать полную форму уравнения Голдмана. 2.3. Электротонические потенциалы и кабельное проведение Рассмотрим рис. 2.3. Невозбудимая мембрана слабо деполяризована. Это сле- дует особо подчеркнуть — на невозбудимой мембране нет риска вызвать фор- мирование потенциала действия. Подобраны условия для детектирования очень маленьких, т. н. локальных токов. Внутренняя среда клетки, по сути де- ла, — ионный раствор, так же как и внеклеточная жидкость. Из этого следует, что они пропускают электрический ток. Если деполяризовать мембрану в точ- ке «х», установится некоторая разность потенциалов между ней и точкой «у», находящейся от нее на некотором расстоянии. Расстояние, конечно, неболь- шое — редко больше, чем 1 микрон. Тем не менее, на этой дистанции малые электрические токи протекают до тех пор, пока не будет устранена разность потенциалов. Следовательно, и в точке «у» мембрана будет слегка деполяризо- вана. Такие небольшие потенциалы известны как электротонические, а ло- кальные токи — как электротонические токи или кабельное проведение. Амплитуда электротонических потенциалов по крайней мере на порядок, а иногда и на два или более порядков, меньше, чем потенциала действия. Тем не менее, как ни малы электротонические потенциалы, их эффекты могут быть весьма значительны. Чтобы убедиться в этом, достаточно лишь вспомнить о чрезвычайной чувствительности потенциал-зависимых ионных каналов, та- ких как Ка+-каналы, рассмотренных в гл. 1. Если локальные токи, распрост- раняющиеся из области, где мембрана деполяризована, достигнут участка,
2. Мембрана и потенциал действия 39 Рис. 2.3. Электротоническое проведение. Ток входит в точке «х» и приводит к формирова- нию потенциала на мембране Их. Отводящий электрод в точ- ке «у» измеряет электротони- ческий потенциал. Локальные токи показаны стрелками. Для упрощения рисунка токи из внешней среды не показаны. Генератор тока Аксоплазма изобилующего Ка+-каналами, возникающая деполяризация может запустить потенциал действия, передающийся в мозг, что само по себе может иметь не- предсказуемые последствия. 2.4. Рецепторный и генераторный потенциалы Рецепторный и генераторный потенциалы — это частные случаи электротони- ческих потенциалов. Когда рецепторная (сенсорная) клетка, например меха- ночувствительная волосковая или вкусовая, подвергается воздействию со- ответствующего стимула, реализуется более или менее сложный набор собы- тий (который будет рассмотрен в деталях в последующих главах), ведущих к изменениям электрической полярности участка их мембраны. Это явление именуется рецепторным потенциалом. В большинстве случаев рецепторные по- тенциалы (как и в случае, рассмотренном в разделе 2.3) — это деполяризация, в других, однако, в частности в палочках и колбочках сетчатки, — это гиперпо- ляризация. Так или иначе, результат — одни и тот же — возникают токи меж- ду подвергающимся воздействию участком мембраны и другими участками мембраны рецепторной клетки (рис. 2.4). В общем случае, изменения электри- ческой полярности (увеличение ее или уменьшение) влияет на выделение медиатора на подлежащий сенсорный нейрон. Не все сенсорные системы развили специализированные сенсорные клет- ки. Обонятельные и некоторые механорецептивные системы построены на нейросенсорных клетках. В таких случаях функции детектирования соответст- вующих факторов внешней среды и передачи информации в мозг совмещают- ся в одной клетке (рис. 2.5). Электрофизиологические феномены при этом аналогичны только что описанным. Когда чувствительные окончания нейро- сенсорной клетки подвергаются воздействию стимула, ряд биохимических процессов приводит к изменению электрического потенциала (в случае ней- росенсорных клеток — это всегда деполяризация). Механизмом локальных то- ков деполяризация распространяется в область мембраны, изобилующую по- тенциал-зависимыми Ка+-каналами. Если деполяризация достаточно велика, Ка+-каналы открываются, в результате чего генерируется потенциал дейст- вия, который без декремента передается в центральную нервную систему. По- скольку первоначальная деполяризация происходит не в специальной рецеп-
40 Часть I. Предварительные сведения Рис. 2.4. Рисунок показывает локаль- ные токи, распространяющиеся от де- поляризованного участка мембраны (отмечен черным) рецепторной клетки. В общем случае это ведет к деполяриза- ции клетки, а это путем сложного био- химического процесса к выделению медиаторного вещества. Рис. 2.5. Деполяризация окончаний нейросенсорной клетки ведет к фор- мированию локальных токов, которые инициируют потенциал действия. торной клетке, она часто именуется генераторным потенциалом. Многие, од- нако, оба варианта называют рецепторными потенциалами. Амплитуда генераторных и рецепторных потенциалов зависит от величины стимула — между потенциалом и интенсивностью стимула существует прак- тически прямая пропорциональная зависимость (рис. 2.6). Из-за того, что ло- кальные токи должны быть достаточно значительными по величине, чтобы запустить выделение медиатора (рис. 2.4) или активировать хотя бы часть по- пуляции потенциал-зависимых №+-каналов до порогового уровня, запуск потенциала действия в сенсорном нерве наблюдается только, когда рецептор- ный или генераторный потенциал достигают определенной амплитуда. Ины- ми словами, потенциал действия не генерируется до тех пор, пока стимул не достигнет критической величины (Sc на рис. 2.6). стимула Рис. 2.6. Соотношение интен- сивности стимула и величины рецепторного (генераторного) потенциала. График показы- вает первичные ответы на сти- мулы разной интенсивности. Как указывается в тексте, адаптация снижает амплитуду рецепторного (генераторного) потенциала при большой про- должительности стимула.
2. Мембрана и потенциал действия 41 2.5. Сенсорная адаптация Все сенсорные системы демонстрируют адаптацию. Это означает, что ответ (каким бы они ни был) на постоянный стимул с течением времени уменьшает- ся. В сенсорных системах многоклеточных это выражается в том, что частота импульсации в волокне сенсорного нерва со временем снижается. В таких си- стемах присутствует несколько форм адаптации. Обычно различают две край- ние формы — быструю и медленную адаптацию (рис. 2.7). В первом случае при включении стимула сначала наблюдается быстрый залп активности в сенсор- ном волокне, которая быстро уменьшается еще до того, как стимул будет вы- ключен. Выключение стимула также сопровождается залпом активности. Во втором случае также наблюдается залп активности при включении стимула, которая, хотя и уменьшается со временем, никогда не достигает нуля. Актив- ность остается на некотором уровне плато до выключения стимула, когда она переходит на исходный уровень. В обоих случаях именно частота первого зал- па характеризует интенсивность стимула. Биологические причины сенсорной адаптации многочисленны и разнооб- разны. Мы встретим многие из этих вариантов на последующих страницах. Например, в некоторых случаях бактериальной хемочувствительности это происходит в результате метилирования белков «переноса рецептора». В мно- гих животных системах, в которых рецепторные молекулы связаны с системой G-белков, это — результат инактивации рецепторной молекулы путем дефос- форилирования (см. раздел 1.4.2). Присутствие Са2+-каналов и кальций-зави- симых К+-каналов (КСа) наряду с 1Ча+-каналами, в которых зарождается по- тенциал действия в сенсорных нервных окончаниях, также очень существенно. Когда мембрана деполяризуется в ответ на локальные токи, приходящие от стимулированных окончаний, потенциал-зависимые Са2+-каналы открыва- ются, и поток Са2+ устремляется по градиенту концентрации в нейрон. Повы- шение внутриклеточного уровня Са2+ внутри клетки открывает Са2+-зависи- мые К+-каналы и избыток К+ также двигается по градиенту концентрации во- вне клетки. Другими словами, мембрана становится необычно проницаемой для К+. Если подставить эту увеличенную константу проницаемости для К+ в уравнение Голдмана, то оно предскажет гиперполяризацию мембраны. В та- ких условиях локальным токам значительно труднее открыть потенциал-зави- симые Ка+-каналы и инициировать потенциал действия. Таким образом, ско- А Быстрая адаптация Б Медленная адаптация Рис. 2.7. Сенсорная адап- тация. (А) Быстро адапти- рующееся волокно; (Б) медленно адаптирующее- ся волокно. Включение Выключение Стимул Включение Выключение Стимул
42 Часть I. Предварительные сведения Рис. 2.8. Один из механизмов, вызывающих адаптацию сенсорных окончаний. Де- поляризация вызывает открытие Са2+-воротного механизма; ионы Са2+ входят в цитоплазму и воздействуют на Са2+-зависимые К+-каналы, что ведет к увеличе- нию мембранной полярности, вследствие чего снижается вероятность инициации потенциала действия. рость импульсации снижается, в чем и проявляется сенсорная адаптация. Эта последовательность событий схематически отражена на рис. 2.8. Биофизическая и молекулярно-биологическая ситуация в сенсорных окончаниях животных несомненно чрезвычайно сложна. Данный раздел кос- нулся проблемы адаптации лишь в общих чертах, в дальнейших главах мы рас- смотрим ее конкретные случаи. 2.6. Потенциал действия Данная книга — не место, где следует излагать все известное о биофизике по- тенциалов действия, более уместно это в учебниках по нейрофизиологии. Од- нако, поскольку органы чувств животных передают информацию в аналитиче- ский аппарат центральной нервной системы в форме потенциалов действия в сенсорных нервных волокнах, их следует описать хотя бы в общих чертах. Мы уже отмечали выше (и в гл. 1), что когда мембранное окружение попу- ляции Ка+-канальных белков деполяризовано, каналы с наиболее низким по- рогом открываются, и Na+ начинает по градиенту концентрации поступать в аксон. Этот процесс имеет эффект положительной обратной связи. По мере того, как Na+ во все большем количестве входит в клетку, мембрана деполяри- зуется еще больше, вследствие чего открываются соседние более высокопоро- говые Ка+-каналы. Поток Na+ увеличивается, мембрана деполяризуется и так далее. Мембрана достигает нулевого потенциала и реполяризуется (отрица- тельный заряд снаружи, положительный — внутри) до достижения нернстов- ского потенциала для Na+ (KNa). Вследствие эффекта положительной обратной связи реверсия потенциала происходит очень быстро. В большинстве случаев KNa достигается в течение 0,5 мс, затем воротный механизм для Na+ начинает закрываться. Очень вскоре после открытия Ка+-каналов (<0,5 мс) срабатывает другой воротный механизм — открывается калиевый. Это позволяет ионам К+ поки- нуть аксон, а, поскольку Ка+-механизм закрывается, мембрана возвращается к исходной полярности, несколько превышает ее и приближается к нернстов- скому К+-потенциалу, Кк. Активность АТФ-зависимого Na+/K+-Hacoca в мембране возвращает ее к нормальному уровню потенциала покоя (Vm). Все
2. Мембрана и потенциалдействия43 Рис. 2.9. Основные ионные каналы и характеристики проведения, ответственные за формирование потенци- ала действия. (A) Na+- и К+-проведение показано кривыми, помеченными gNa и gK (левая ордината градуирована в мСи/см2). Пунктирная линия показы- вает потенциал на мембра- не, образующийся за счет этих проводимостей. Гори- зонтальные пунктирные линии вверху и внизу ри- сунка показывают KNa и Кк, соответственно. (Из Hodgkin and Huxley, 1952, Journal of Physiology, 117, 500—544; воспроизводится с разрешения Физиологи- ческого Общества). (Б) Ось времени сильно растянута по сравнению с (А). Верх- нюю часть рисунка (Б) сле- дует сравнивать с пунктир- ной линией на рисунке (А). Нижняя часть рисунка (Б) показывает потоки Na+ и К+, которые возникают вследствие открывания и закрывания Na+- и К+-ка- налов аксональной мемб- раны. эти события и результирующие изменения мембранной полярности показаны на рис. 2.9. Ну, теперь все в порядке, однако смысл потенциала действия (нервного импульса) заключается в его распространении. Как это драматическое измене- ние мембранной полярности распространяется? И снова ответ заключается в локальных токах. Мы уже видели в разделе 2.3, что деполяризация небольшо- го участка мембраны ведет к возникновению малых электрических токов, рас- пространяющихся отсюда и деполяризующих следующие участки мембраны на небольшом расстоянии. То же самое происходит и когда мембрана резко меняет полярность при прохождении потенциала действия, описанного выше. Локальные токи, деполяризуя соседний участок мембраны, так же открывают в нем Ка+-каналы и запускают последовательность событий, ответственную за формирование потенциала действия, описанную выше. Можно сказать, что потенциал действия похож на огонь, бегущий по дорожке из пороха. Каждый
44 Часть I. Предварительные сведения Таблица 2.2. Некоторые характеристики афферентных волокон млекопитающих Мышечные нервы Кожные нервы, диаметр (мкм) Диаметр волокна (мкм) Скорость проведения (м/с) Миелинизированные крупные I 13-20 80-120 малые II Ар 6-12 35-75 самые малые III AS 1-5 5-30 Немиелинизированные IV С 0,2-1,5 0,5-2 По Kandel et al., 1991 активированный участок запускает последующий, оставляя за собой дорожку из пепла. В случае нервного волокна инактивация, символизируемая пеплом, представляет собой гиперполяризацию мембраны вслед за прошедшим потен- циалом действия (рис. 2.9) и, что более существенно, то, что Ка+-воротный механизм остается в закрытом состоянии в течение прибл.1,5 мс после их по- тенциал-зависимого открывания. Это состояние мембраны именуется ре- фрактерностью. Рефрактерный период длительностью 1,5—2 мс имеет существенное значе- ние для сенсорной сигнализации. Он ограничивает частоту, с которой импуль- сы могут следовать по сенсорному нервному волокну. Такая длительность означает, что сенсорное волокно в состоянии проводить импульсы с частотой не выше 500 Гц. Это важно, например, в детектировании частоты звука и час- тотной дискриминации в слуховой системе (см. гл. 8). В то время, как рефрактерный период ограничивает частоту, с которой им- пульсы могут проводиться по нервному волокну, диаметр последнего (при прочих равных) определяет скорость проведения (табл. 2.2). Чем больше диа- метр, тем дальше по аксоплазме распространяются локальные токи и на боль- шем расстоянии они могут открыть Ка+-воротный механизм. Поэтому у мно- гих беспозвоночных, например, кольчатых червей и головоногих моллюсков, развились гигантские волокна, обеспечивающие быстрое проведение, необхо- димое для реакции избегания. Позвоночные развили иной механизм увеличе- ния скорости проведения — миелинизацию. Миелин состоит из нескольких слоев мембран шванновских клеток, обви- вающихся вокруг аксон, и обеспечивает очень эффективную электрическую изоляцию. Последняя предупреждает утечку внутриклеточного компонента локального тока из аксоплазмы, «удерживая» его внутри волокна, и обеспечи- вает его распространение. У беспозвоночных такого специфического и эффек- тивного механизма повышения скорости проведения не развилось. Однако когда мы будем рассматривать функцию некоторых сенсилл насекомых в гл. 12, мы увидим, что существуют альтернативные средства изоляции ло- кальных токов, обеспечивающие эффективное электротоническое проведение в длинных внешних сегментах хемочувствительных клеток. Табл. 2.2 показывает скорость проведения импульсов в афферентных во- локнах млекопитающих. Афферентные волокна мышц состоят из четырех
2. Мембрана и потенциал действия 45 перекрывающихся классов (I—IV), чья скорость проведения составляет от 120 м/с в наиболее крупных миелинизированных волокнах (диаметр ок. 20 мкм) до прибл. 0,5 м/с в самых тонких немиелинизированных (диаметр ок. 0,5 мкм) В сенсорных нервах кожи отсутствуют наиболее быстрые волокна класса I (или Аос). Кожные нервы, таким образом, подразделяются на три группы Ар, А6 и С, что соответствует группам II, III и IV мышечных афферентов. 2.7. Заключение В гл. 1 мы рассмотрели некоторые вездесущие молекулярные элементы, ответ- ственные за активность сенсорных клеток. В данной главе мы увидели, как эти молекулярные элементы реализуются в равным образом вездесущих биофизи- ческих характеристиках сенсорных клеток и волокон. Мы снова убедились в той центральной роли, которую играют биомембраны. Мы увидели, как био- физика ионных потоков через мембрану порождает потенциал покоя Кт. Мы отметили, как электротоническое (кабельное) проведение позволяет распро- страняться на малые расстояния по мембране небольшим изменениям Кт и что такое проведение ответственно за формирование генераторного и рецеп- торного потенциалов. Хотя Ит кажется небольшим, всего —60 мВ, благодаря тому, что мембрана так тонка (ок. 7 нм), градиент потенциала чрезвычайно высок — ок. 105 В/см. Ясно, что какой-либо потенциал-чувствительный бе- лок, погруженный в такую мембрану, испытывает действие мощного электри- ческого поля. И конечно это касается таких белков, как Са2+- и Ка+-каналь- ные. Любые изменения электрической полярности мембраны оказывают зна- чительный эффект на конформацию этих каналов. Мы отметили важность этих конформационных изменений в сенсорной адаптации и в проведении потенциалов действия. В следующей главе мы сделаем небольшой шаг назад и рассмотрим некото- рые глобальные черты сенсорных систем. Мы снова столкнемся с множеством сходств. Надо постоянно помнить, что все их свойства могут быть прослежены вглубь до уровня молекулярных механизмов и их биофизических эффектов, рассмотренных в двух первых главах. Действительно, по мере дальнейшего из- ложения мы увидим, что, несмотря на многочисленные различающиеся дета- ли, нет разрыва между основными биохимическими и биофизическими прин- ципами и феноменами более высокого уровня в зрительной, слуховой и иной сенсорной коре, рассматриваемыми в последующих главах. Это «первый зво- ночек» главной нерешенной дилеммы науки о чувствах: как могут физика и химия, лежащие в основе функционирования мозга, быть связаны с миром цветов, запахов и звуков, образующих ткань нашей субъективной жизни? Ко- нечно, это лишь еще один путь постановки проблемы соотношения мозга и мышления. Она всегда в неявном виде присутствует в науке о чувствах и, вследствие этого, будет возникать на последующих страницах снова и снова. Хотя попытки ее решения часто полагают предметом другой науки — филосо- фии, студентам не следует думать, что эта проблема несущественна и о ней можно просто забыть.
3. ОБЩИЕ ЧЕРТЫ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ Психофизика и поведение против сенсорной физиологии: будущее объеди- нение? Классификация чувств: по адекватным стимулам — по внешней или внутренней локализации. Модальность: меченные линии — экспери- менты по «переключению» проводящих путей. Интенсивность: частотная модуляция — порог и психометрия — соотношение сигнал/шум — разли- чение минимальных отличий и закон Вебера—Фехнера — психофизиче- ский закон Стивенса. Адаптация. Рецептивные поля (РП): определение — организация — вариативность по площади. Картирование: неизоморф- ные сенсорные карты — «проблемы связывания». Иерархическая и парал- лельная организация. Выделение отличительных характеристик и пусковые стимулы: иерархии — «понтификальные клетки». Заключение: сенсорные системы и «гонка вооружений» хищник—жертва В первых двух главах этой книги мы рассмотрели некоторые молекулярные и биофизические элементы, образующие сенсорные системы. В этой главе мы рассмотрим глобальные черты, общие для различных сенсорных систем. Од- нако, прежде, чем мы займемся этим, стоит провести разграничение между двумя подходами к изучению сенсорных систем. Первый подход сводится к установлению корреляций между физическим стимулом и ответной реакцией животного (и человека). Сенсорная система рассматривается как «черный ящик». Исследователь анализирует (часто — в мельчайших деталях), что может, а чего не может сделать «черный ящик», что он может или не может детектировать или дискриминировать. При этом исследователь, однако, не лезет внутрь ящика, чтобы разобраться, какие шес- теренки, колесики и проводки важны для того, чтобы он работал. В случае изу- чения человека экспериментатор пытается коррелировать физический стимул со словесным ответом испытуемого, выражающего его или ее субъективную реакцию. Такие исследования по очевидным причинам именуются психофизи- ческими. В случае животного психофизический подход более сложен. Приходит- ся устанавливать корреляции между физическим стимулом и каким-либо аспек- том поведения животного. Поведенческие реакции могут быть весьма утончен- ными, животное можно натренировать давать ответ на стимул (кондициониро- вать), сам стимул можно варьировать по интенсивности, чтобы изучить, на каком уровне он может детектироваться. Можно отметить, что многие и делают, что вербальный ответ испытуемого — тоже не более, чем форма поведения. И снова, как и всегда при изучении сенсорных систем, мы оказываемся в непосредствен- ной близости от проблемы соотношения мозга и мышления. Все же, оставляя
3. Общие черты сенсорных систем 47 в стороне все эти сложности, можно сказать, что намного проще коррелировать стимул и ответ у подготовленного человека, чем у других животных. Действи- тельно, психофизические исследования человека принесли некоторые наиболее точные определения того, что центральная нервная система может, а чего — нет. Второй подход состоит в том, что исследователь пытается залезть внутрь чер- ного ящика психофизики. Внимание здесь сфокусировано на физиологии сен- сорной системы, включая, в случае млекопитающих, сенсорную кору, а не на поведенческом ответе. Реакция этой системы на адекватные стимулы исследует- ся на различных уровнях — от молекулярного и субклеточного до уровня сен- сорных анализаторов в мозге. Исследователь может изучать и ответы индивиду- альных сенсорных клеток на стимул или — на противоположном конце спект- ра — регистрировать физиологические ответы коры мозга. Вся надежда на то, что эти два подхода — сенсорно-физиологический и психофизическо-поведен- ческий — в конце концов объединившись, принесут всестороннее понимание того пути, которым человек и другие животные реагируют на внешнюю среду. 3.1. Классификация чувств Все организмы живут в среде, полной изменений, полной событий. Какие-то из этих изменений благоприятны для организма, какие-то неблагоприятны. Некоторые происходят независимо от организма, а некоторые являются пло- дом деятельности самого организма. Для выживания организму необходима максимальная информация о том, что происходит, поэтому он развил целый арсенал сенсорных датчиков. Как всегда, работу лучше всего делают специа- листы. Сенсорные детекторы специализированы для того, чтобы отвечать на определенный тип изменений окружающей среды. Как мы увидим, они стано- вятся чрезвычайно чувствительными к специфическому типу стимула, во мно- гих случаях достигая физического предела. Основные изменения в окружаю- щей среде (тех, что касаются большинства организмов) могут быть сгруппиро- ваны в большие категории механических, химических, электромагнитных и термических. Соответственно, мы можем классифицировать основные сен- сорные системы как механорецептивную, хеморецептивную и фоторецептивную. В отличие от этих трех основных классов рецепторов, терморецепторы, хотя и так же вездесущие, за исключением некоторых зачатков у змей, не развили сложного чувствительного органа. Помимо этих четырех классов рецепторов у некоторых животных развились электрорецепторы, чувствительные к элект- рическим полям и магниторецепторы, известные у прокариот и подозреваемые у некоторых животных. Тип стимула, на который настроен специфический рецептор называется адекватным стимулом. Классификация сенсорных рецепторов в соответствии с типом энергии из окружающей среды, к которой они наиболее чувствительны, — важный и оче- видный путь группировки чувствительных органов. Именно такой класси- фикации мы придерживаемся в этой книге. Альтернативная классификация построена не на типе детектируемой энергии, а на том, направлены ли чувст- вительные окончания вовнутрь организма, контролируя события внутренней среды организма, либо вовне — во внешнюю среду. Эта классификация — на интеро- и экстерорецепторы. Тогда как фоторецепторы являются исключитель-
Часть I. Предварительные сведения Информация 3.1 ГЕРМАН ФОН ГЕЛЬМГОЛЬЦ Герман Людвиг фон Гельмгольц родился в Потсдаме 31 августа 1821 года. Старший из четырех детей. У отца унаследовал глубокий интерес к музыке и живописи, а у матери — уравновешенный характер, который немало пригодился ему в жизни. Его отец активно участвовал в германском романтическом движении в начале 19-го ве- ка. Сын Фихте Иммануил Герман Фихте был частым гостем в доме Гельмгольца, где идеалистическая философия, литература и наука были постоянными темами обсуждения. Неудивительно, что философские аспекты науки, особенно сенсор- ной физиологии, занимали Гельмгольца всю его научную карьеру. В школе юный Гельмгольц не выделялся, но рано проявил интерес к физике. Отец его, не имея средств, чтобы послать сына в университет, отправил его изучать медицину, где можно было получить финансовую поддержку от государства. В ре- зультате Герман фон Гельмгольц в 1837 году получил пятилетний грант на обучение в Королевском медико-хирургическом институте Фридриха-Вильгельма в Берлине. Находясь в Берлине, он посещал курсы в университете, в том числе курс физиоло- гии у Йоханнеса Мюллера. Он воспользовался возможностью написать диссерта- цию под руководством Мюллера. Работая в университете, Гельмгольц столкнулся со студентами Эрнстом Брюке и Эмилем Дюбуа-Реймоном, а также Карлом Люд- вигом. Вместе они основали «школу 1847 года» по физиологии, где избегали не- физических терминов и «виталистических» сил. После получения степени доктора медицины в 1842 году, он поступил в армию в качестве хирурга. При этом он не порывал связей с академическими кругами и в 1848 году получил место профессора физиологии в Кёнигсберге. Именно здесь он изобрел офтальмоскоп (1851), измерил скорость проведения в седалищном нерве ля- гушки, составившую около 90 футов в секунду, намного медленнее, чем считалось согласно предшествующим исследованиям (1850). В 1855 году с помощью Александ- ра фон Гумбольдта он получил место профессора в Бонне, и именно здесь он начал писать и публиковать свой потрясающий основы трехтомный труд по физиологиче- ской оптике Handbuch der physiologischen Optik (т. 1, 1856). Его механистический под- ход к сенсорной физиологии весьма огорчил отца с его идеалистическими воззрени- ями, и возникшая между ними холодность остановила сына в продолжении публи- кации. Его слава, однако, продолжала расти, и в 1858 году ему была предложена ка- федра, которую он и принял, в научном центре Германии — Гейдельберге. Здесь он продолжал интересоваться акустикой, что привело к публикации Die Lehre von den Tonenpfindungen alsphysiofische Grundlage fur die Theorie der Musik (1863). В этом трак- тате он ввел т. н. теорию места в частотной дискриминации (см. гл. 8, раздел 8.3.2). В 1858 году умирает отец, и это устраняет препятствие к публикации остав- шихся томов его работы по физиологической оптике. Заключительный том (т. 3) Handbuch был опубликован в 1867 году. Три тома этого учебника содержали массу новых данных по цветному зрению, по аккомодации хрусталика (Гельмгольц изобрел офтальмометр, который позволил измерить кривизну хрусталика) и по- следовательным образам. В частности, он опирался на концепцию своего учителя Йоханнеса Мюллера о «специфических нервных энергиях». Согласно ей различные
3. Общие черты сенсорных систем 49 Продолжение сенсорные нервы специализированы к реакции на специфические типы энергии из внешней среды (стимулы) — т. е. это та самая концепция, которая, как мы видели, стала основой современного понимания в форме «адекватных стимулов». Гельмгольц использовал концепцию «специфических нервных энергий» в своей трихроматической теории цветного зрения и теории места в частотной дискримина- ции. Он также очень много думал о соотношении между тем, что в нашем сенсорном восприятии обусловлено опытом, а что — врожденными качествами. Гельмгольц, в отличие от натурфилософов, придерживался строго эмпирического подхода и на- стаивал на том, что наши знания о внешнем мире основываются на длительном опыте — мало что или совсем ничего дается от рождения (см гл. 23). Работы Гельмгольца по сенсорной физиологии, таким образом, привели его к гносеологии, которая обсуждалась когда-то в доме его отца. Он пришел к убежде- нию, что сенсорная физиология в какой-то степени продолжает и поддерживает гно- сеологию Канта. Иными словами, он полагал, что органы чувств, в соответствии с за- коном Мюллера о специфических типах нервной энергии, обусловливают субъек- тивную картину мира. Он, однако, критически оценивал воззрения Канта. В середи- не 60-х годов XIX века Гельмгольц показал, что аксиомы евклидовой геометрии весь- ма далеки от априорных синтетических положений, как полагал Кант, а фактически построены на визуальном опыте, т. е. построены a posteriori, а не a priori. Работы Гельмгольца отнюдь не ограничивались сенсорной физиологией. Он внес вклад в несколько областей физики, особенно энергетики, физической хи- мии, электродинамики и гидродинамики. Он был одним из последних, кто оказал- ся способен на плодотворную деятельность во всех естественных науках. Им двига- ло то, что он воспринял в доме отца в Потсдаме и от его друзей — пламенная страсть найти великие единые принципы, лежащие в основе естественного мира и связы- вающие его. Когда он умер в Шарлоттенбурге 8-го сентября 1894 года, научный мир уже стал слишком велик и многосложен, чтобы один человек смог сделать фунда- ментальный вклад более, чем в одной области науки. Гельмгольц был последним, кто мог бы получить Нобелевские премии и по физике, и в области медицины и физиологии, и по химии. Литература Cahan, D., ed., 1993, Hermann von Helmholz and the Foundation of Nineteenth-Century Science, Berkely: University of California Press. Turner, R. S., 1972, «Helmholz, Hermann von» in Dictionary of Scientific Biography, С. C. Gillispie, ed., New York, Scribner’s. но экстерорецепторами (не существует существенных электромагнитных по- лей внутри организма, которые требуют контроля), остальные три модальнос- ти чувств могут быть связаны как с экстеро-, так и интерорецепторами. Ин- терорецепторы, хотя они и не развитых столь же впечатляюще, как многие экстерорецепторы, тем не менее также важны. У высших животных, особенно млекопитающих и птиц, контроль внутренней среды важен для гомеостатиче- ского механизма, от которого зависит сама их жизнь.
50 Часть I. Предварительные сведения 3.2. Модальность Мы отмечали в гл. 2 (раздел 2.6), что биофизика нервного импульса идентич- на во всех нервных волокнах. Эволюция, единожды «найдя» эффективный ме- ханизм передачи информации, придерживалась его, лишь едва усовершенст- вуя в геологических масштабах времени. Это означает, что информация из всех сенсорных органов трансформируется в идентичные сигнала в централь- ную нервную систему (ЦНС). Из этого следует, что ЦНС не имеет иного пути распознать, о чем говорят поступающие в нее по нервным волокнам импуль- сы — звуке, свете, температуре или запахе, — кроме как по тому, какие имен- но волокна активированы. Имеются данные, что, если переключить эти «ме- ченные линии» хирургически — направив слуховые волокна в зрительную ко- ру, а зрительные волокна — слуховую, то мы услышим молнию, как гром, и увидим гром, как молнию. Это, естественно, ставит перед нами потрясающие философские вопросы. Поскольку зрительная и слуховая кора на клеточном уровне существенно не различаются (еще менее — на биофизическом), то по- чему активность в одном участке коры вызывает ощущение звука, а в другом — совершенно иное ощущение — зрения? Еще интереснее и, может быть важнее для ответа на философские вопросы то, что если хирургическое «переключе- ние» выполнено точно на эмбрионах млекопитающих, то слуховая кора разви- вает некоторые характеристики зрительной и наоборот. Мы отсылаем студен- тов к библиографии в конце этой части, где они смогут познакомиться с этой восхитительной работой. 3.3. Интенсивность События во внешнем мире различаются не только по типу, но и по интенсив- ности. Грубо говоря, интенсивность стимула кодируется частотой потенциа- лов действия в волокне сенсорного нерва. То есть ЦНС необходимо «разо- браться», какой именно сенсорный нерв активирован (что определяет сенсор- ную модальность) и оценить частоту импульсации в нем (которая определяет интенсивность модальности), чтобы получить адекватную информацию о со- бытиях во внешней и внутренней среде. Наиболее слабые стимулы, которые организм способен детектировать на- зываются пороговыми (сенсорный порог). Организму (или в случае человека — субъекту) предъявляется серия стимулов возрастающей интенсивности и вы- ясняется (выработкой рефлекса или словесным ответом в случае человека), когда стимул детектируется впервые. Порог определяется как стимул, детекти- руемый в половину случаев предъявления (рис. 3.1). Кривая, представленная на рис. 3.1, известна как психометрическая функция или кривая. Сенсорные пороги не постоянны. Они зависят от множества факторов, в особенности от утомления, ситуации, опыта и т. д. Это подчеркивает тонкость физиологии мозга, здесь задействованы многочисленные петли прямых и об- ратных связей. Мы сможем увидеть, когда будем рассматривать боль (в гл. 21), что наша чувствительность к этой пренеприятной сенсорной модальности варьирует очень сильно. В разгар событий мы можем и не почувствовать по- вреждения, и только потом будем страдать от боли. Сдвиг психометрической
3. Общие черты сенсорных систем 51 Рис. 3.1. Психометрическая кри- вая. Порог определен как интен- сивность стимула, при которой половина реакций правильна. Ордината дана в условных еди- ницах. Кривая сдвигается впра- во или влево в зависимости от обстоятельств. кривой вправо встречается и при родах. Болевой порог варьирует и в зависи- мости от типа культуры. То, что неприемлемо для человека одной культуры — в порядке вещей для другой. Возвращаясь к физиологии, лежащей в основе психофизики, следует, в первую очередь, отметить, что даже в отсутствие стимула по сенсорным волок- нам потенциалы действия все же передаются, но с малой частотой. Это — ак- тивность покоя. Она может варьировать (в разных сенсорных волокнах) от 1-2 имп./с до более, чем 50 имп./с. Когда подается адекватный стимул доста- точной интенсивности, частота импульсации возрастает. Ясно, что для ЦНС очень важно отличать сигнал, свидетельствующий о наличии адекватного сти- мула малой интенсивности, от случайных флуктуаций. То есть, иными слова- ми, отличать сигналы от шума. И активность покоя, и разряд, возникающий на предъявление адекватного стимула, варьируют около некоторых средних. Например, первая из них име- ет частоту 20 ± 5 Гц, а реакция на стимул — 25 ± 6 Гц. Ясно, что эти величины в крайних значениях перекрываются, т. е. ЦНС «не может быть уверена» в том, был стимул или нет. Иногда реакция будет верной, иногда — ошибочной. Эта ситуация приблизительно схожа с сенсорным порогом, определенным нами выше. По мере увеличения интенсивности стимула, сигнал все более и более удаляется от уровня шума. При 30 ± 7 Гц «перекрытие» с активностью покоя становится меньше, а при 35 ± 8 Гц уже нет сомнений, что стимул действи- тельно присутствует. Отметим, однако, что в приведенном гипотетическом примере разброс ча- стот вокруг среднего значения растет с увеличением интенсивности стимула. Это означает, что с ростом интенсивности стимула амплитуда физических из- менений стимула, способного создать минимально различимое отличие стимулов (МРО) тоже растет. Это соотношение было подмечено Вебером в 1834 году и известно как закон Вебера: Д\|/ = к х \|/
52 Часть I. Предварительные сведения где Д\р — МРО, — субъективное восприятие стимула, а к — константа. Наи- более часто упоминаемый пример действия закона Вебера связан с восприяти- ем массы. Легко различить массы в 1 и 1,5 кг, но очень трудно, если не невоз- можно, — 25 и 25,5 кг. Позднее в XIX столетии (1860 г.) Фехнер расширил закон Вебера, дав соот- ношение между субъективно воспринимаемыми пороговым и надпороговым стимулами. Это соотношение стало известно как закон Вебера—Фехнера: V = A: log ф/ф0 где — субъективная величина стимула по сравнению с пороговой, ф — физи- ческая величина стимула, ф0 — величина порогового стимула, а к — костанта. Почти через столетие, в 50-е годы XX века Стэнли Стивенс исследовал боль- шое количество сенсорных модальностей и показал, что «психофизический Б Амплитуда стимула (условные единицы) Амплитуда стимула (условные единицы, логарифмическая шкала) Рис. 3.2. Психофизические соотношения. (А) Когда субъективно воспринимаемая величина стимула наносится на график против амплитуды стимула в линейных ко- ординатах, линии часто изгибаются вверх или вниз. (Б) Когда кривая наносится в логарифмических координатах, образуются прямые линии, угол наклона кото- рых зависит от степенного показателя п. По Stevens, 1961.
3. Общие черты сенсорных систем 53 закон» следует несколько более сложному соотношению, лучше всего выража- емому степенной функцией: у = Л(Ф - Фо)" или log V = log к + п log (ф - ф0) то есть, log \|/ = К + п log (ф - ф0) Показатель степени п варьирует от одной модальности к другой: п « 1 для вос- приятия длины, п » 0,4 для восприятия яркости, п » 3,5 — для электрического шока. Некоторые из этих соотношений между стимулом и ответом показаны на рис. 3.2. Их гораздо легче сравнивать, когда они представлены в логариф- мической форме, поскольку это прямые. Хотя в предыдущем изложении мы рассматривали случай, когда импульса- ция, ответственная за субъективное восприятие, проводится по одиночному сенсорному волокну, — это большая редкость, если вообще возможно. На са- мом деле все естественным образом воспринимаемые надпороговые стимулы вовлекают больше, чем одно волокно, и чем выше интенсивность стимула, тем больше сенсорных волокон участвуют в проведении. 3.4. Адаптация Мы видели в главе 2 (раздел 2.5), что все сенсорные волокна демонстрируют адаптацию. Здесь нет необходимости распространяться на эту тему больше. Тем не менее, стоит отметить, что в некоторых случаях адаптация может сни- жать уровень импульсации до уровня, ниже порогового. Субъективно мы мо- жем перестать ощущать стимул. Только при включении и(или) выключении стимула поток импульсации возрастает настолько существенно, чтобы вызвать осознанное ощущение. Всем нам случалось испытывать, что только когда не- который постоянный стимул внезапно исчезает, мы осознаем, что он был. 3.5. Рецептивные поля Сенсорные нервные окончания, как правило, чувствительны к стимуляции малых участков своего окружения. Эти участки называются рецептивными по- лями (РП) сенсорного волокна. Во многих случаях, как мы увидим в последу- ющих главах этой книги, рецептивные поля имеют свою внутреннюю органи- зацию. Часто стимуляция одной из частей РП ведет к возбуждению сенсорно- го нейрона, в другой — к торможению. Рецептивные поля существенно разнятся и по площади. В тех участках сен- сорной поверхности, где важно, чтобы стимул был точно локализован, РП малы. Напротив, там, где локализация стимула не так важна, РП больше. Это хорошо показано опытом Фехнера по изучению порога в двух точках. Некото- рые части тела — кончики пальцев и губы — способны различать два близко расположенных стимула (укола), тогда как другие (тыльная сторона ладони, спина) — только значительно дальше разнесенные стимулы. В некоторых слу-
54 Часть I. Предварительные сведения чаях есть и связь между чувствительностью и точностью локализации ощуще- ния. Если только строго определенное количество энергии взаимодействует с сенсорной поверхностью, как это происходит, например, при постоянном освещении сетчатки, то большее рецептивное поле способно получить больше энергии, чем меньшее. При прочих равных оно обладает большей чувстви- тельностью. Но по некоторым причинам оно неспособно обеспечить точную информацию о том, какая именно часть сетчатки стимулирована. Хотя сенсорные поверхности, такие как сетчатка или кожа, могут рассмат- риваться как мозаика РП, не следует думать, что РП имеют ясно очерченные границы, отделяющие их друг от друга, подобно кусочкам стекла, составляю- щим декоративную мозаику классического или восточного типа. На самом де- ле, РП в сенсорной поверхности образуют широкие перекрытия и, более того, особенно в сетчатке, варьируют в размерах в зависимости от физиологических условий. Это — одно из проявлений динамического характера сенсорных систем, который накладывается на сравнительно «жесткую» сеть нейронов и сенсорных клеток протекающими в них активными биохимическими и моле- кулярно-биологическими процессами. Это очень резко отличает их от неиз- меняющихся неорганических компонентов нашей, основанной на кремнии, электронной технологии. 3.6. Карты сенсорных поверхностей Сенсорные окончания и их рецептивные поля часто (но не всегда) организо- ваны в двумерные структуры — карты. Очевидным образом это так в случае сетчатки и кожных рецепторов прикосновения. Менее очевидно это примени- тельно к базилярной мембране улитки. Пространственные связи этих структур поддерживаются ЦНС. У людей, как мы увидим в последующих главах, в со- матосенсорной коре постцентральной извилины имеется карта поверхности тела, карта сетчатки в первичной зрительной коре затылочной доли, и карта базилярной мембраны в первичной слуховой коре височной доли. Эти карты называются, соответственно, соматотопической, ретинотопической и тонотопи- ческой. Не следует думать, однако, что все эти карты изоморфны сенсорным по- верхностям. Во всех случаях те части сенсорной поверхности, которые имеют большее биологическое значение, где требуется большая точность дискрими- нации сенсорной информации, занимают непропорционально большее место в коре. Это не-изоморфное картирование частично отражает тот упомянутый выше факт, что части сенсорных поверхностей, имеющие большее биологиче- ское значение, характеризуются меньшими по размеру рецептивными полями (или большим числом сенсорных волокон на единицу поверхности). Это так- же связано с большей сложностью нейрональных связей в таких участках ко- ры. Хотя неизоморфное картирование характерно для всех карт сенсорных поверхностей в ЦНС, вероятно наиболее широко известно это для соматосен- сорной коры. Сенсорные «гомункулусы» (рис. 7.15) с их огромными губами, .гигантскими кистями рук, на которых выделяется еще и большой палец, и на- против — с крошечными ножками и ступнями, уже почти превратились в икону.
3. Общие черты сенсорных систем 55 В некоторых сенсорных системах, особенно в зрительной системе прима- тов, карта из первичного сенсорного экрана проецируется далее во вторич- ный, третичный и более высокие уровни. Однако в целом, эти более высокие уровни становятся топографически все менее и менее точными. Одновремен- но, несмотря на эту неточность, высшие уровни обработки сигнала могут од- новременно обеспечивать точную карту других свойств стимула. Например, в зрительной системе приматов (макак), наиболее изученной среди высокораз- витых сенсорных систем, картируются скорее 4 цвета, чем пространственное расположение на сенсорной поверхности. Длины волн света, на которые реа- гируют клетки V4, определенным образом меняются от одной клетки к другой, соседней. Сходным образом, в зрительном поле 5, которое связано с восприя- тием движения зрительного стимула, обнаружено, что направление движения, на которое реагируют соседние клетки, меняется регулярным образом. Но почему карты? Почему вообще сенсорные системы развили карты сен- сорных поверхностей организма? Краткий ответ на этот вопрос — этого не знает никто, но спекуляций на эту тему множество. Мы вернемся к этому во- просу в гл. 22 (раздел 22.4). Возможно, дело в том, что сенсорные волокна, ко- торые в норме срабатывают одновременно, стремятся и пространственно сгруппироваться вместе. В пользу такого предположения есть, как мы увидим, существенное свидетельство из области биологии развития. Понятно, что во- локна из соседних участков сенсорной поверхности (например, сетчатки) с большей вероятностью срабатывают одновременно. Есть также аргумент, свя- занный с экономией организации. Высказывается мнение, что сенсорный анализ, обработка сигнала, более эффективна, если схожие части сенсорной картины, как топографически, так и функционально содержатся близко друг от друга. В отличие от компьютеров, основанных на кремнии и меди, мозг не может работать со скоростью света. Скорость обмена информацией в немие- линизированных коротких аксонах и дендритах серого вещества на несколько порядков ниже, чем у электрического проведения в компьютере. Если же сиг- налу требуется пройти большие расстояния (сантиметры, а не миллиметры), то связность «целого» объекта перцепции рискует оказаться невозможной. Здесь мы оказываемся в окрестностях проблемы связывания — того, каким об- разом получается, что наше восприятие целостно и связно, хотя мозг в высшей степени гетерогенен и построен из модулей. Решения проблемы связывания у нас нет. Не знаем мы и ответа на наше «почему?» о сенсорных картах. Нельзя исключать, что оба эти вопроса — аспекты одной и той же проблемы. Когда удастся достичь нового понимания в одном из них, это может пролить свет и на второй. 3.7. Иерархическая и параллельная организация Из предыдущего раздела могло сложиться впечатление, что сенсорные систе- мы организованы исключительно иерархическим образом. Могло бы пока- заться, что сенсорные поверхности дают проекцию в первичную сенсорную кору, где сохраняются топографические взаимоотношения, та дает свои даль- нейшие проекции, несколько утрачивая топографическую точность, те пере- дают информацию в следующую в ином участке коры, и так далее. Хотя это и
56 Часть I. Предварительные сведения правда, но не вся. Мы увидим, когда будем рассматривать основные сенсор- ные системы, особенно зрительную систему приматов, что существуют много- численные проекции сенсорной информации в мозг. То есть это не один эк- ран, проецирующийся в более высокие уровни по иерархическому принципу, а несколько параллельных экранов, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой. К тому же, иерархическая последовательность карт связана и в центрипетальном, и центрифугальном направлениях. Организация сенсорно- го мозга позволяет и параллельную, и последовательную обработку информа- ции, и лучше всего описывается термином Хофштадтера как «усложненная иерархия». 3.8. Выделение отличительных характеристик и пусковые стимулы В заключение еще одна общая черта сенсорных систем должна быть упомяну- та. Мы увидим по ходе дальнейшего изложения, что в высокоразвитых систе- мах, таких как слуховая и зрительная, в ходе обработки в мозге в восходящих уровнях выделяются специфические черты полученной информации. Эти чер- ты связаны с теми аспектами окружающего мира, которые имеют первостепен- ное значение для животного. Лишь небольшое количество клеток в слуховой коре отвечают на продолжительные чистые тоны, которые так эффективны в стимуляции базилярной мембраны улитки. Напротив, щелчки и потрескива- ния, издаваемые хищником, подкрадывающимся через подлесок, или частот- но-модулированные тоны, повышающиеся или понижающиеся по высоте, оказываются значительно более эффективными. Мы увидим в гл. 9, что эти черты широко используются в высокоспециализированных участках коры че- ловека (в формировании звуков речи) и летучих мышей (в эхолокации). Сход- ным образом, в зрительной системе яркие пятна света или длительное нефо- кусированное освещение, эффективно стимулирующие сетчатку, вызывают в клетках зрительной коры лишь небольшой эффект. Напротив, контуры объек- та вызывают выраженный эффект в первичной зрительной коре. С повышени- ем уровня переработки сигнала ответ запускают все более содержательные черты объекта. Например, в высших уровнях у макак (нижне-теменная кора) есть клетки, отвечающие исключительно на характерные черты обезьяньих морд (в фас и в профиль) (гл. 17, раздел 17.4). Эти специфические черты сенсорного мира, которые имеют в жизни жи- вотного важное значение, называются триггерными стимулами. Этой категории стимулов посвящено большое количество исследований. Сначала популярной стала концепция иерархии уровней выделения специфических черт. Предпо- лагалось, что выделяются еще более специфические, чем обезьяньи морды, черты визуальной картины — в случае человека вплоть до распознавания лица бабушки. Признание возможности существования клеток распознавания лица бабушки или понтификальных клеток приобрело широкое хождение, одна- ко, не исключено, что это все же следует принимать как reductio ad absurdum (упрощение до абсурда) или, по крайней мере, с большой осторожностью. Хватит ли клеток в коре, чтобы разобраться со всеми бабушкиными прическа-
3. Общие черты сенсорных систем 57 ми, бижутерией, шляпками и приступами дурного настроения? Что же, отбро- сить прочие специфические детали визуального восприятия? А что, если клет- ка, ответственная за бабушку, по каким-то причинам повредится или заболе- ет, мы бабушку узнавать перестанем? К тому же, осложняются и философские проблемы. Можно ли всерьез предполагать, что активность одной-единствен- ной клетки преобразуется в зрительный образ бабушки? Кажется все же более вероятным, как мы увидим в гл. 17, что распознавание бабушки зависит от ак- тивности популяции клеток, распределенной в зрительных участках коры и других участках мозга, включая (что важно) эмоциональные центры лимби- ческой системы. Вероятность этого возрастает, если признать упомянутую в предыдущем разделе роль параллельной обработки информации в зрительной системе. Таким образом, идея об однонаправленном потоке информации, пе- редаваемой в иерархически высшие центры мозга, очевидно, устарела. 3.9. Заключение «Эволюция — халтурщица», — сказал Франсуа Жакоб. Но в случае сенсорных систем она употребила биофизику и молекулярную биологию, рассмотренные в гл. 1 и 2, компоновала их в течение многих миллионов лет в удивительные и чувствительные устройства для обнаружения событий в окружающей среде. Эволюция, может быть и халтурщица, но халтурщица, движимая страхом смерти. Сенсорные системы чрезвычайно важны для борьбы за существо- вание, в том, что некоторые называют «эволюционной гонкой вооружений». Как и в технологической гонке вооружений, с которой мы знакомы, важна информация. Битва за Британию и битва за Атлантику были выиграны (и про- играны) благодаря радарам и взлому радиокодов. Сенсорные системы подверг- лись всем безжалостным испытаниям естественного отбора, но если вернуть- ся к метафоре Жакоба, у эволюции не было возможности отбросить лишнее и начать все заново. Халтурщица работала с тем, что получилось. Потому и сен- сорные системы большинства высокоразвитых животных сохраняют следы организации далеких предков. Несмотря на это, они развились до такого уров- ня чувствительности, который во многих случаях недоступен для человечес- кой технологии.
4. ЭВОЛЮЦИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЗМОВ Систематика: эволюционная и кладистическая классификации. Шесть царств: природа типов животных. Одноклеточные: прокариоты (Archae- bacteria и Eubacteria) — эукариоты (протесты). Многоклеточность: грибы, растения и животные — Parazoa и Metazoa — беспозвоночные и позво- ночные. Первичноротые и вторичноротые: спиральное и радиальное дроб- ление — шизоцель и энтероцель — формирование рта — выраженные эмбриологические различия отделяют последовательность «кольчатые черви — членистоногие — моллюски» от последовательности «иглоко- жие — хордовые» и предполагают независимую эволюцию в течение более полумиллиарда лет. Классификация многоклеточных Metazoa: стрекающие (Cnidaria) — плоские черви (Platyhelmintes) — круглые чер- ви (Nematoda) — моллюски (Mollusca) — кольчатые черви (Annelida) — членистоногие (Arthropoda) — хордовые (Chordata). Заключение: неко- торые типы организации лучше других — три основных типа (членисто- ногие, моллюски, хордовые) оказались самыми успешными, потому они в основном и фигурируют в этой книге В данной главе мы предпримем широкий экскурс по миру живого в нашем ис- следовании сенсорных систем. Не все читатели этой книги хорошо знакомы с таксономическим и эволюционным положением рассматриваемых организ- мов. Эта глава направлена на то, чтобы устранить такие пробелы. 4.1. Систематика Стороннему наблюдателю может показаться удивительным, что биологичес- кая систематика до сих пор не завершена и не согласована. Даже число круп- нейших групп (типов), на которые подразделяется царство животных, остает- ся предметом противоречий. Кроме того, с введением Хеннигом в 50-е годы XX века не-эволюционной кладистической схемы классификации, системати- ки оказались в центре горячей полемики. К счастью, нам нет необходимости вступать на это «минное поле». Наш интерес к положению организмов в клас- сификации имеет выраженную эволюционную природу. Наш интерес к орга- нам чувств животных, а не только нашим собственным, обусловлен не просто тем, что они существуют (хотя и это вполне уважительная причина), но глав- ным образом тем, что их изучение способно пролить свет на сенсорные систе- мы человека, а также продемонстрировать альтернативные пути решения тех же самых проблем. В некоторых случаях — это радикально иные решения (гла-
4. Эволюция и классификация организмов 59 за насекомых и позвоночных), в других — поразительно схожие (глаза голово- ногих и позвоночных). Понимание эволюционных связей между группами животных — это основа полного понимания сенсорных систем животных и, в частности, тех, которые приобрели мы сами. 4.2. Классификация на шесть царств В этой книге мы будем использовать общепринятую схему классификации ор- ганизмов на шесть царств: Archaebacteria (архебактерии), Eubacteria (собствен- но бактерии), Protista (протесты), Plantae (растения), Fungi (грибы) и Animalia (животные). Внутри этих шести царств организмы подразделяются далее на большие группы со сходным планом строения, которые называются типами. Такой принцип классификации, как и можно было ожидать, куда более очеви- ден на многоклеточных — грибах, растениях и животных, чем в трех царствах одноклеточных. Действительно, классификация оказывается общепринятой только для царства животных. В изучении сенсорных систем именно оно зани- мает доминирующее положение, потому и наше внимание по большей часта будет сконцентрировано на нем. 4.3. Одноклеточные Archaebacteria и Eubacteria часто объединяются в единую группу «бактерий» или, иногда, монер (Moneres — греч., одинокий). Известно свыше 5 000 видов, представляющих собой маленькие клетки без ядра и органоидов. Поскольку эти клетки не имеют ясно выраженного ядра (т. е. нуклеиновые кислоты не от- делены от цитоплазмы ядерной мембраной), они получили наименование про- кариот. В течение прибл. 2 миллиардов лет (начиная с 3 600 млн лет назад до 1 600 млн лет назад) монеры владели миром. Сенсорные системы бактерий, конечно, предельно просты. Однако они представляют для нас значительный интерес, поскольку на них часто можно проследить, по крайней мере на био- химическом уровне, зачатки тех бесконечно сложных систем, которые разви- лись у животных. Спустя 2 млрд лет появились более крупные и более сложные клетки — эукариоты. Вероятно, они более тесно связаны с архебактериями, чем с собст- венно бактериями. Все эукариоты имеют выраженное ядро (их генетический материал сосредоточен за ядерной мембраной) и органоиды, такие как мито- хондрии, хлоропласты и т. д., локализованные в цитоплазме. Ранние класси- фикации объединяли автотрофных эукариот с растениями в Prophyta, а гетеро- трофных — с животными в Protozoa (простейшие). Более современный альтер- нативный анализ предполагает, что одноклеточные эукариоты схожи друг с другом значительно больше, чем с многоклеточными животными, растениями и грибами, и к тому же сама многоклеточность могла возникать несколько раз. Исходя из этого одноклеточные эукариоты и объединены в отдельное царство Protista или Protoctista (protos — первичный, kristos — устанавливать, греч.). Протесты — чрезвычайно разнообразная группа, подразделяющаяся на типы, которых насчитывается до 30, однако, в этой книге они, в основном, не фигу- рируют. С нашей точки зрения, самое интересное, возможно, заключается
60 Часть I. Предварительные сведения Рис. 4.1. (А) (а) Спиральное и (б) радиальное дробление. По Caroil, 1988. (Б) Первич- норотые и вторичноротые, (а) Бластула; (б) инвагина- ция при формировании гас- трулы. Бластоцель в основ- ном смыкается, и образуется первичная кишка или архэн- терон, открытый во внеш- нюю среду (бластопор). У первичноротых он в даль- нейшем формирует рот, а у вторичноротых возникает еще одна инвагинация (на противоположном от блас- топора конце эмбриона), ко- торая прорывается в архэн- терон. Здесь формируется рот, тогда как по соседству (рядом с зарастающим блас- топором) прорывается вто- ричный анус. в наличии у них наиболее ранних фоторецепторов — различных типов свето- чувствительных пятен. Они обнаружены в типе Eustigmatophyta, Chlorophyta и, особенно, Euglenophyta (Euglena viridis), а также у некоторых представителей динофлагеллят (Pouchetia sp., Erythropsidinium pavillardii). 4.4. Многоклеточность Многоклеточность, вероятно, возникла около 1 млрд лет назад. Бйологи вы- деляют три царства многоклеточных — грибы, растения и животные. Только последнее представляет интерес для данной работы. Здесь тоже имеется не- сколько различных методов классификации. В старых работах царство живот-
4. Эволюция и классификация организмов 61 Рис. 4.2. Эволюционные взаимоотношения между основными группами ор- ганизмов. Числами (в млн лет) показана давность дивергенций. Псевдоце- ломические животные представлены нематодами (напр. С. elegans). Данные из Doolittle et al., 1996. грам-положительные ных подразделялось на три подцарства: Protozoa (простейшие), Parazoa (Mesozoa, губки) и Metazoa (истинно многоклеточные). Позже, как мы виде- ли, Protozoa были объединены с другими одноклеточными формами в царст- во Protista. Animalia (животные), в свою очередь, подразделяются на два под- царства — Parazoa и Metazoa. Parazoa далее подразделяются на Porifera (губ- ки) и Placozoa (с единственным видом Trichoplax adhaerans, размером с боль- шую амебу). Все остальные животные образуют Metazoa — многоклеточных. Старая (в высшей степени антропоцентрическая) классификация делит мно- гоклеточных на позвоночных и беспозвоночных — в зависимости от наличия или отсутствия позвоночного столба. Такая классификация остается обще- признанной и общеупотребительной, но необъективной из-за нашего само- мнения. Позвоночные (если быть более точным — черепные) образуют два подтипа внутри типа Chordata (хордовые), одного из более чем тридцати в подцарстве Metazoa. 4.5. Первичноротые и вторичноротые Если внимательно рассмотреть ранний эмбриогенез целомических многокле- точных, то мы обнаружим несколько фундаментальных черт, которые предпо- лагают разделение их на две большие группы форм животных: ветвь кольчатых червей — членистоногих — моллюсков (КЧМ) и ветвь иглокожих — хордовых (ИХ) (рис. 4.3). У кольчатых червей — членистоногих — моллюсков первые де- ления зигот (деления дробления) имеют спиральный характер (рис. 4.1 А(а)). Слои дочерних клеток (бластомеров) выстраиваются со сдвигом относительно друг друга. Проспективная судьба клеток таких зародышей детерминирована. Если одна из них удалена, соответствующая часть организма не сформируется. Напротив, в линии развития иглокожих — хордовых зигота претерпевает ради- альное дробление\рис. 4.1 А(б)), а слои клеток расположены строго один над (под) другим. Судьбы бластомеров на этой стадии строго не детерминированы. Если один из них удален, остальные способны это компенсировать, так что формируется нормальный зародыш.
62 Часть I. Предварительные сведения СЛ ш сл 1 £ Q О О Jen LU ш I § i Ш •О О I ш । ш ‘1 •о •о JLU 8 DEUTEROSTOMATA * •, J • X LOPHOTROCHOZOA U \ \ ECDYOZOA *. 800 млн лет назад ххх<> PROTOSTOMATA BILATERALIA 1 млрд лет назад PROTISTA ш LJL- сс Рис. 4.3. Эволюционное древо царства животных. Всего насчитывается около 30 типов, но на рисунке по- казаны только те, которые включают виды, упоминаю- щиеся на последующих страницах этой книги. Воз- никновение царства из про- тестов произошло около 1 млрд лет назад. Некоторые важные стадии формиро- вания плана строения пока- заны на основном стволе схемы: билатеральная сим- метрия (BILATERALIA); выраженная полость тела (целом), отделяющая кишку от мускулатуры (COELO- MATA); развитие рта из бластопора (PROSTOMA- TA— первичноротые) или на противоположном конце (DEUTEROSTOMATA - вторичноротые). Все эти важные события эволюции имели место в докембрий- ский период. № К Q Z о Далее, две эти большие ветви демонстрируют глубокие различия путей формирования целома (полости тела). В линии КЧМ это происходит в резуль- тате расщепления мезодермы (шизоцель). В линии ИХ это происходит в ре- зультате отшнуровки выпячиваний кишки (энтероцель). Наконец, важное различие — в том, как формируется рот. Сфера из клеток, образующаяся в результате делений дробления оплодотворенной яйцеклет- ки — бластула — затем инвагинирует, формируя первичную кишку — архэнте- рон. Этот процесс называется гаструляцией. В ветви КЧМ отверстие первич- ной кишки — бластопор — в конце концов развивается в рот взрослой особи. Животные, у которых рот развивается таким образом, относятся к первичноро- тым. Напротив, в ветви ИХ рот развивается иначе. В этом случае новое отвер-
4. Эволюция и классификация организмов 63 стие в конце концов возникает на конце, противоположном бластопору, а бла- стопор преобразуется в анус (рис. 4.1 А(б)). Животные с таким типом развития относятся к вторичноротым (поскольку рот развивается у них «вторично»). Эти два термина — первичноротые и вторичноротые — обычно употребляются для обозначения двух упомянутых выше крупных ветвей развития. Хотя т. н. «биогенетический закон» Геккеля (онтогенез отражает филоге- нез), в настоящее время принимается со значительными оговорками, нет со- мнений, что последовательность событий раннего эмбриогенеза сложилась в эволюционной истории очень давно. Из этого ясно, что и принципиальные различия эмбриогенеза первично- и вторичноротых возникли в филогенезе очень рано. Молекулярно-биологические данные предполагают, что их общий предок существовал более, чем 670 млн лет назад. Недавние работы отодвину- ли этот срок на еще более давний срок — порядка 830 млн лет. Таким образом, эти две ветви в течение более трех четвертей миллиарда лет развиваются неза- висимо друг от друга. Это делает возможность сравнения органов чувств меж- ду этими ветвями особенно интересной — нам нет необходимости лететь на другую планету, чтобы получить возможность сравнения с эволюционными альтернативами форм жизни, основанных на углероде. В заключение, накапливаются молекулярно-биологические данные, даю- щие основания полагать, что первичноротые очень рано разделились на две крупных группы. Первая из них — Ecdyozoa — включающая, помимо прочих, нематод и членистоногих и характеризующаяся твердым наружным покровом, что требует периодических линек (ecdysis) для обеспечения возможности рос- та. Другая — Lophotrochozoa — жестким покровом не обладает (что, правда, отрицательно сказывается на их защищенности) и включает плоских и кольча- тых червей, моллюсков, а также несколько других типов животных. 4.6. Классификация многоклеточных Теперь сосредоточим внимание на основных группах животного царства. Си- стематики подразделяют его на типы. Тип, как упоминалось выше, включает животных, обладающих общим планом строения. Изучение эволюции такого плана за геологические промежутки времени называется филогенией. Внутри типов зоологи классифицируют организмы на подтипы, классы, отряды, се- мейства, роды и, наконец, виды и подвиды. В некоторых случаях зоологи груп- пируют отряды в надотряды, а семейства — в надсемейства. Таким образом, например, человек классифицируется как Царство Animalia (животные) Тип Chordata (хордовые) Подтип Gnathostomata (челюстноротые) Класс Mammalia (млекопитающие) Отряд Primates (приматы) Семейство Hominoidea (гоминиды, человекообразные) Род Ното (человек) Вид sapiens (разумный) Подвид sapiens (разумный)
64 Часть I. Предварительные сведения Все животные по определению вынуждены искать пропитание в перемен- чивой окружающей среде, вследствие чего все эти многочисленные формы, сгруппированные в приблизительно 30 типов, развили те или иные органы чувств. Рис. 4.3 показывает эволюционные взаимоотношения между группами животных, которые займут важное место на следующих страницах этой книги. Выделяются среди них членистоногие, моллюски и, конечно, хордовые. Кратко опишем типы, показанные на рис. 4.3. Cnidaria (стрекающие, ранее объединявшиеся с Ctenophora в тип Coelenterata — кишечнополостные) — наиболее просто организованные среди многоклеточных. Их тела не имеют целомической полости и просто состоят из двух слоев клеток — эктодермы и эндодермы. У них не развивается истинной центральной нервной системы, но формируется диффузная нервная сеть. Хорошо известны такие представители этого типа, как медузы (класс Scyphozoa), гидроиды, такие как гидра Hydra, а также Obelia и т. д. (класс Hydrozoa), и, наконец, кораллы и актинии (морские анемоны, класс Anthozoa). Platyhelmintes (плоские черви) демонстрируют эволюционный прогресс по сравнению с Cnidaria, поскольку их тела построены из трех слоев клеток: экто-, мезо- и эндодермы. Полость тела по-прежнему отсутствует, но это уже билатерально симметричные животные с выраженными передним и задним концом. Свободно живущие формы развили «лестничную» центральную нерв- ную систему, в которой на головном конце наблюдается аккумуляция нервных клеток, где и концентрируются органы чувств, включая пигментированные глазки. Включают три класса: Turbellaria (свободно живущие хищные плоские черви, напр. планария), Trematoda (паразитические трематоды печени) и Cestoda (ленточные черви). Большинство зоологов полагают, что формы, сходные с современной планарией, представляют собой общего предка, из ко- торого 600—700 миллионов лет назад и развилось все многообразие истинно многоклеточных. Тип Nematoda (обычно — круглые черви) состоит из большого количества видов (вероятно, около 1 миллиона), из которых наиболее известны эндопара- зиты, такие как аскарида и трихинелла. Круглые черви имеют зачатки полос - титела, которая именуется не целомом, а псевдоцеломом, поскольку она об- разована не мезодермой. Нематоды имеют очень простые дорзальную и вент- ральную нервные цепочки, объединенные в нервное кольцо вокруг глотки. Многие нематоды известны благодаря своим выдающимся способностям к воспроизводству — самки иногда содержат десятки миллионов яйцеклеток и выделяют их в темпе до 100 000 в день. Благодаря такой чрезвычайно плодови- тости и очень короткого генеративного периода одна из свободно живущих почвенных нематод Caenorhabditis elegans широко используется в молекуляр- но-биологических исследованиях и теперь, наверное, является наиболее изу- ченным в этом отношении видом. Замечательно, что на уровне молекулярной биологии обнаружилось удивительное сходство между основными чертами этого вида и высших животных, включая человека. Тип Molhisca состоит из большого количества весьма разнообразных форм — более 100 000 видов. Это мягкотелые несегментированные животные с истинной полостью тела (целомом). По размерам они могут составлять от не- скольких миллиметров до более 20 м (как в случае гигантского кальмара
4. Эволюция и классификация организмов 65 Architheutis, крупнейшего из беспозвоночных). Среди моллюсков найдено не- сколько наиболее интересных и ценных объектов для нейробиологических ис- следований. Как показано на рис. 4.3, они развивались независимо от хордо- вых около 700 или 800 миллионов лет, и вполне могут рассматриваться как продукт отдельного «акта творения». Моллюски подразделяются на 7 классов. Monoplacophora, включающие всего один вид с плоской раковиной, обитают в глубоких субтропических и тропических водах. Aplacophora включают червеобразных соленогастров (бо- роздчатобрюхих моллюсков), также обитающих в глубинах теплых морей. Polyplacophora включают обычных обрастающих прибрежные камни хитонов. Pelycypoda включают, наверное, наиболее известных моллюсков — двухствор- чатых, таких, как устрицы, мидии и гребешки. В гл. 14 мы увидим, что гребеш- ки обладают удивительными глазами. Gastropoda (брюхоногие) включают все формы, которые ползают на собственном брюхе — улитки, береговички и слизни. У Scaphopoda — конические раковины, они зарываются в ил или пе- сок. Наконец, наиболее импозантные моллюски относятся к классу Cephalopoda (головоногие). Они подразделяются на три подкласса: Ammonoi- dea — аммониты, ныне вымерший, но часто обнаруживаемый в ископаемых отложениях; Nautiloidea, представленному жемчугоносным Nautilus^ и Belemnoidea, к которым относятся кальмары и осьминоги. Мы увидим, что эти удивительные морские хищники, несмотря на более чем полмиллиарда лет не- зависимой эволюции и принципиально иной план строения тела, нашли пора- зительное схожие решения в организации и функции фоторецепторов с теми, которые мы встречаем у позвоночных. Тип Annelida (кольчатые черви) составляют обычные наземные и водные (в основном, морские) черви. Как и моллюски, это целомические первично- ротые, но что сильно их отличает от моллюсков — это выражение сегментиро- ванные животные. 4 класса: Polychaeta (многощетинковые) — в основном, морские черви, напр. обычный прибрежный нереис {Nereis). Многощетинко- вые черви — часто крупные, активные формы с хорошо развитой нервной си- стемой и органами чувств. Класс Oligochaeta (малощетинковые) представлен обычным дождевым червем Lumbricus. Класс Hirudinea включает эктопарази- тических пиявок, напр. Hirudo. Наконец, Myzostomaria объединяет множество мелких паразитов иглокожих. Тип Arthropoda (членистоногие) — вероятно, наиболее успешный из всех типов животного царства. Многие зоологи полагают, что если бы все ныне жи- вущие виды членистоногих удалось идентифицировать и пересчитать, то их оказалось бы больше 10 миллионов. Членистоногие населяют все экологичес- кие ниши и отличаются размерами в диапазоне от микроскопических клещей до гигантских крабов, больше метра в диаметре (считая с ногами). Наземные членистоногие, представленные в подавляющем большинстве насекомыми, преимущественно невелики. Это обусловлено основным принципом их стро- ения — твердый хитиновый наружный скелет не позволяет организму расти постоянно. Рост возможен, когда кутикула сбрасывается в ходе линьки, одна- ко в эти периоды членистоногие, особенно наземные, чрезвычайно уязвимы. Поэтому такие «мягкотелые» периоды должны быть елико возможно коротки- ми. Если бы не такая катастрофическая организация индивидуального разви- 3 Биология сенсорных систем
66 Часть I. Предварительные сведения тия членистоногих, они могли бы достичь чудовищных размеров персонажей научно-фантастических романов. Членистоногие, как и кольчатые черви, четко сегментированные целоми- ческие первичноротые. Они отличаются от аннелид твердым наружным хити- новым скелетом и членистыми конечностями, которые и дали им название. Существуют две большие группы — подтипы Mandibulata (жвалоносные или челюстные) и Chelicerata (хелицеровые). Челюстные имеют три отдела тела (голова, грудь, брюшко), а у хелицеровых две передние части сливаются в го- ловогрудь. Подтип Mandibulata подразделяется на шесть классов. Класс Crustacea (ра- кообразные) представлен большим числом водных жаберно-дышащих члени- стоногих. Наиболее значительный отряд этого класса — Decapoda — включает омаров, раков, крабов и разнообразных креветок. Ракообразные включают также множество более мелких отрядов, таких как водяные блохи, веслоногие рачки, усоногие раки и т. д. Второй класс, Diplopoda, объединяет двупарноно- гих. Класс Chilopoda включает многоножек; класс Pauropoda — формы, схожие с многоножками, как и класс Symphyla (симфилы). Последний класс подти- па — Insecta (насекомые) — крупнейший среди членистоногих. Насекомые присутствуют во всех экологических нишах, за важным исключением — мо- рей. В большинстве своем — это весьма активные животные, а потому развили целый ряд чрезвычайно тонко организованных органов чувств. Из-за того, что насекомые покрыты твердым хитиновым наружным скелетом (кутикулой), их органы чувств, главным образом, основываются на кутикулярных сенсиллах. Такая организация сильно отличается от наблюдающейся у мягкотелых форм (моллюски, позвоночные), а потому изучение сенсорной биологии насекомых дает неоценимый материал для сравнительных исследований. Мы обсудим многочисленные примеры этого на последующих страницах. Второй подтип членистоногих, хелицеровые, получили свое название вследствие того, что первая пара конечностей у них преобразована в хелицеры, предназначенные для разрывания и измельчения пищи. 3 класса: Pycnogonida представлен морскими пауками, обитающими в придонном слое литоральной зоны; класс Merostomata включает мечехвостов (Limulus), чьи простые состав- ные глаза — очень важный объект исследований сенсорных физиологов; нако- нец, большой и важный класс Arachnida с пауками, скорпионами, сенокосца- ми и различными клещами. Мы пропустим тип Echinodermata (морские звезды, морские ежи, голоту- рии и т. д.), несмотря на их удивительно красивую эмбриологию, поскольку у них нет органов чувств, заслуживающих внимания в этой книге, и перейдем прямо к тому, что с нашей точки зрения, является последним существенным типом — Chordata (хордовые). Поскольку этот тип включает и Ното sapiens, многие могут подумать, что это и самый важный из всех. Наш краткий обзор, однако, показывает, что это — всего лишь один из многих типов, к тому же не- большой, насчитывающий всего около 45 000 видов. Тип включает млекопита- ющих, пресмыкающихся, птиц, земноводных и рыб (т. е. всех позвоночных) и несколько групп беспозвоночных, объединяемых в протохордовые. Как ука- зывалось выше, хордовые — вторичноротые и, как это очевидно по строению позвоночного столба, сегментированные. Для хордовых характерны три черты
4. Эволюция и классификация организмов 67 Рис. 4.4. Вероятные эво- люционные взаимосвязи позвоночных. По Caroil, 1968. (присутствующие хотя бы только на определенных стадиях онтогенеза): дор- зально локализованный полый нервный тяж; расположенный между ним и киш- кой жесткий стержень — хорда, который у позвоночных трансформирован в позвоночный столб; присутствие на некоторых стадиях развития жаберных щелей, соединяющих пищевод с внешней средой.
68 Часть I. Предварительные сведения Наиболее широко распространенная классификация подразделяет хордо- вых на четыре подтипа: два подтипа — бесчерепные: это Tunicata (оболочники) и Cephalochordata (головохордовые), и два подтипа — черепные: Agnatha (бес- челюстные) и Gnathostomata (челюстноротые). Два последних образуют «по- звоночных». Взрослые оболочники — это «сидячие» животные, многие из них, например асцидия Ciona intestinalis, населяют литораль. Только личиночная стадия, напоминающая головастика, активно подвижна, развивает хорду, нервный тяж и жаберные щели. Головохордовые представлены ланцетником Amphioxus lanceolatum, обитающим на песчаном дне морского мелководья. Из- давна их рассматривают как обобщенный упрощенный образ хордовых — у них есть дорзальный спинной нервный тяж (спинной мозг), хорда и жабер- ные щели (в том числе и у взрослых животных). Хотя на головном конце отсут- ствует расширение спинного мозга, у ланцетника развились некоторые, хотя и рудиментарные, органы чувств. Два подтипа черепных включают всех известных позвоночных, чьи веро- ятные эволюционные взаимосвязи показаны на рис. 4.4. Подтип Agnatha представлен в основном ископаемыми формами, у которых отсутствуют обе челюсти и парные конечности. Единственные современные представители подтипа — миноги и миксины — относятся к классу Cyclostomata (круглоро- тые). Подтип Gnathostomata, характеризующийся наличием челюстей и пар- ных конечностей, подразделяется на два надкласса — Pisces (рыбы), куда входят все рыбы, и Tetrapoda (четвероногие). Рыбы, в свою очередь, подраз- деляются на два больших класса — Chondrichthyes и Osteichthyes. Класс Chondrichthyes (или Elasmobranchii) включает всех хрящевых рыб с грубой дентиновой плакоидной чешуей и представлен акулами, катранами, скатами (в т. ч. ромбовые скаты, включая электрического Torpedo) и пилой-рыбой. Класс Osteichtyes включает всех костных рыб; чешуя — циклоидная или кте- ноидная, в зависимости от формы — гладкой или зазубренной, соответствен- но. По числу видов и разнообразию форм костистые рыбы намного превос- ходят хрящевых. Вероятно наиболее продвинутым является отряд Teleostei (костистые рыбы), куда входят сельдь, форель, лосось, карп, угорь, летучая рыба и т. д. Надкласс Tetrapoda подразделяется на четыре больших класса: Amphibia (земноводные), Reptilia (пресмыкающиеся), Aves (птицы) и Mammalia (млеко- питающие). Как видно из рис. 4.4, земноводные — наиболее ранний из них по происхождению. Ископаемые формы могут быть прослежены на почти 400 миллионов лет назад — в девонском периоде. Современные земноводные относятся к трем разным подклассам: Urodela (хвостатые, напр. тритоны, сала- мандры и т. д.), Anura (бесхвостые, в т.ч. лягушки и жабы) и Apoda (безногие слепые закапывающиеся тропические формы). Для класса Reptilia характерно развитие из яиц, имеющих, в отличие от земноводных, амниотическую оболочку, которая позволила им адаптировать- ся к условиям существования на суше. Таким образом, пресмыкающиеся — это первые полностью наземные позвоночные. Зоологи иногда используют собирательный термин «амниоты» для всех полностью наземных позвоночных (пресмыкающихся, птиц и млекопитающих), в отличие от «анамний» (земно- водные и рыбы), у которых амниотическая оболочка отсутствует, а потому они
4. Эволюция и классификация организмов 69 по необходимости часть жизененного цикла или весь целиком вынуждены проводить в воде. Известно огромное количество ископаемых отрядов репти- лий (включая, конечно, ужасных ящеров — динозавров), но только четыре ныне существующих: Crocodilia (крокодилы), Chelonia (водные и сухопутные черепахи), Rhynchocephalia (клювоголовые, единственный современный представитель — гаттерия Spenodon) и Squamata (чешуйчатые — ящерицы, ва- раны, игуаны, змеи и т. д.). У змей, которые, как предполагается, утратили ко- нечности за долгий период роющего образа жизни, развились (в некоторых случаях — повторно) очень интересные органы чувств. Класс Aves (птицы) иногда рассматривают как «оперенных рептилий». Су- ществует более 9 000 видов, распространенных во всех частях света и практи- чески в любых условиях обитания. Как и следовало бы ожидать исходя из ак- тивного образа жизни этих животных, у птиц развились наиболее сложные сенсорные системы, известные на этой планете. Класс Mammalia (млекопитающие) обычно подразделяется на три под- класса: Prototheria (Monotremata, однопроходные), Allotheria (включает только вымершие виды), Metatheria (Marsupaliana, сумчатые) и Eutheria (Placentalia, плацентарные). Подкласс однопроходных включает яйцекладущих млекопи- тающих Австралазии — утконоса (Ornithorhynchus) и ехидну (Tachyglossus). Подкласс Metatheria опять-таки в основном представлен австралазийскими видами, но имеются и северо-, и южноамериканские, он выделяются наличи- ем наружной сумки для вынашивания детенышей, которые рождаются очень незрелыми. Подкласс Eutheria включает все современные отряды млекопи- тающих— Insectivora (насекомоядные — ежи, землеройки, кроты, тупайи, и т. д.), Chiroptera (рукокрылые — летучие мыши), Rodentia (грызуны — кры- сы, мыши и т. д.), Lagomorpha (зайцеобразные — кролики, зайцы), Carnivora (хищные — кошачьи, собачьи, медведи, куньи, тюлени), Cetacea (китообраз- ные — киты, дельфины, морские свиньи), Perrisodactyla (непарнокопытные — лошади и т. д.), Artiodactyla (парнокопытные — коровы, свиньи и т. д.) и, ко- нечно, Primates (приматы), к которым принадлежим и мы, наряду с лемурами, долгопятами, галаго, обезьянами Старого и Нового Света и человекообразны- ми обезьянами. 4.7. Заключение Можно ли на основании такого короткого обзора сделать какие-либо обоб- щения? Многие полагают, что все многообразие жизненных форм, населяю- щих ныне нашу планету — результат чистой случайности, и все они могли быть совершенно иными и по форме, и по функции. Стивен Гулд популяри- зовал эту точку зрения своими оценками странных и удивительных ископае- мых, обнаруженных в отложениях Бэрджес Шале и датируемых 525 миллио- нами лет назад. Другие, особенно Конвей Моррис, опираются на тот факт, что только небольшое число крупных групп животных успешно дожило до на- ших дней. Наш обзор показывает, что три таксона, три плана строения до- стигли потрясающих успехов, это моллюски, членистоногие (особенно насе- комые) и хордовые. Несомненно, что не было какого-то предопределения в том, будут ли способны выжить те или иные виды, включая самый для нас
70 Часть I. Предварительные сведения интересный — Homo sapiens\ однако постоянное действие фактора естествен- ного отбора выделило те основные планы строения организмов, которые обеспечили развитие форм, способных просуществовать миллиард лет. На следующих страницах, где предпочтение из-за нашего эгоцентризма отдано сенсорным системам млекопитающих, в том числе человека, все же часто бу- дет проводиться сравнение с моллюсками и членистоногими — двумя други- ми типами, демонстрирующими решения проблем выживания в течение 1 миллиарда лет на Земле.
МАТЕРИАЛЫ К ЧАСТИ I Для самоподготовки Нижеследующие вопросы подготовлены для того, чтобы помочь вам оценить собственное понимание материалов Части I, а также обратить ваше внимание на наиболее существенные аспекты изложенного материала. Глава 1: Основы 1.1. Почему считают, что ДНК не была исходным носителем генетической инфор- мации? 1.2. Укажите приблизительные даты возникновения наиболее ранних прокариот и эукариот. 1.3. Чем отличаются первичная, вторичная и третичная структуры белков? 1.4. Объясните, что обозначает термин «аллостерия» и «аллостерический эффек- тор». Что такое кооперативная аллостерия? 1.5. Что такое протеинкиназы и каким образом они участвуют в аллостерических переходах? Какую роль играют протеин-фосфатазы? 1.6. Почему существенно, что мембранные липиды являются амфипатическими молекулами? 1.7. Гидрофильна или гидрофобна внутриклеточная сторона биологической мемб- раны? Почему? 1.8. Сказано, что биомембраны — это «жидкостно-мозаичная» структура. Что это означает? 1.9. Какие структурные свойства удерживают белки в биомембране? Опишите важный структурный элемент, присутствующий у многих рецепторных бел- ков. 1.10. На какое расстояние и с какой скоростью могут перемещаться белки в био- мембранах? Почему эта подвижность важна для сенсорных клеток? 1.11. На что похожа трехмерная конформация семидоменного рецептора? 1.12. Каким образом протеинкиназы участвуют в десенситизации рецепторных бел- KUD? 1.13. Что обозначает буква «G» в термине G-белок? 1.14. Объясните, как G-белки могут быть связаны с таймерными функциями? 1.15. Назовите три типа мембранно-связанных эффекторов? 1.16. Назовите три вторичных мессенджера. 1.17. В нескольких фразах и (желательно) схемой объясните, как основанная на G- белках система вторичных мессенджеров обеспечивает работу гибкого меха- низма «стимул — ответ». 1.18. Что означают аббревиатуры ПЗК и МК (LGIC и VGIC)? Приведите примеры. 1.19. Нарисуйте схему конформационного цикла №+-канала. 1.20. Одинаков ли порог открывания №+-каналов, локализованных в одном участ- ке мембраны? Почему ответ на этот вопрос важен? Глава 2: Мембрана и потенциал действия 2.1. Какова приблизительная величина Кт? Почему головоногие моллюски так важны для ее оценки? 2.2. Напишите уравнение Нернста. Определите Vb когда [1+]о = 150 мМ, а [1+], = 15 мМ; когда [1+]о = 5,5 мМ, a [I+]j = 150 мМ; и когда [Г]о = 125 мМ, а [Г^ = 9 мМ.
72 Часть I. Предварительные сведения 2.3. Используя уравнение Голдмана и значения наружных и вйутриклеточных кон- центраций К+, С1“ и Na+ при Рк, РС1 и PNa, данных в тексте, определите Ит на мембране гигантского аксона кальмара и мотонейрона кошки. 2.4. Используя те же значения К+, СГ и Na+, что в предыдущем вопросе, найдите зна- чение Ит мотонейрона кошки, если 1) PNa = 5 х 10“7 см/с; 2) Рк = 5 х 10-6 см/с. 2.5. Используя упрощенную форму уравнения Голдмана (уравнение 2.4) и концен- трации К+ и Na+, данные в табл. 2.1, определите Кт гигантского аксона каль- мара. 2.6. С помощью рисунка объясните природу электротонического (кабельного) проведения. 2.7. В чем разница между рецепторным и генераторным потенциалом? 2.8. Почему, хотя рецепторный потенциал линейно зависит от интенсивности сти- мула, сенсорные и нейросенсорные клетки реагируют только когда достигает- ся определенный критический порог стимула (Sc)? 2.9. Определите, что такое «сенсорная адаптация». В чем состоит разница между «быстрой» и «медленной» адаптацией? 2.10. Объясните роль, которую кальций-зависимые калиевые каналы (Кса-каналы) играют в некоторых случаях сенсорной адаптации. 2.11. Какое событие происходит первым при развитии потенциала действия? 2.12. Опишите последовательность изменений, которые претерпевает Na+-канал в ходе потенциала действия. 2.13. Какой ионный механизм обеспечивает реполяризацию мембраны после пика потенциала действия? 2.14. С чем связана гиперполяризация после потенциала действия и как долго она длится? 2.15. Какова приблизительная длительность рефрактерного периода? Каково его физиологическое значение? Если рефрактерный период нервного волокна со- ставляет 3 мс, то, какова максимальная частота импульсов в нем? 2.16. Как скорость проведения связана с диаметром волокна и почему? Каким обра- зом объясняется наличие гигантских волокон у многих беспозвоночных? 2.17. Какой альтернативный гигантским волокнам вариант развился у позвоноч- ных? Какие преимущества дает эта альтернатива по сравнению с гигантскими волокнами беспозвоночных? 2.18. Влияет ли диаметр волокна на скорость проведения в волокнах позвоночных? Назовите еще один фактор, влияющий на скорость проведения импульса. Глава 3: Общие черты сенсорных систем 3.1. В чем различия между двумя основными подходами к изучению сенсорных си- стем? Приведите примеры. 3.2. Опишите два пути классификации сенсорных рецепторов и объясните, что оз- начает термин «адекватный стимул». 3.3. Объясните, почему эксперименты по хирургическому переключению сенсор- ных волокон у эмбрионов хорька ставит интригующие вопросы о взаимоотно- шениях ощущений в мозге. 3.4. Определите, что такое «сенсорный порог». Меняется ли порог данной модаль- ности стимула или остается постоянным? 3.5. Скажите, что такое минимально различимое отличие стимулов (МРО). Как оно связано с интенсивностью стимула? 3.6. Приведите «психофизический закон» Стивенса и примеры стимулов с различ- ными характеристиками. 3.7. Что такое рецептивные поля (РП)? Объясните, почему существует взаимосвязь между чувствительностью и локализацией. 3.8. Что понимают под термином «неизоморфный»? Почему сенсорные карты главным образом не изоморфны?
Материалы к части I 73 3.9. Что Йоханнес Мюллер имел в виду под «специфической нервной энергией»? Какой термин используется в настоящее время для концепции Мюллера? 3.10. Заглянув также в гл. 22 (раздел 22.4), обдумайте, почему сенсорная информа- ция, доставленная в мозг, должна быть организована в карту. 3.11. Что такое «проблема связывания»? 3.12. В чем разница между «иерархической» и «параллельной» организацией? Как построены сенсорные системы — на основе первой, второй или обеих вмес- те? 3.13. Что такое «триггерный стимул»? Приведите пример для зрительной системы. 3.14. Что такое «клетка, распознающая лицо бабушки»? Верите ли вы в то, что такое возможно? 3.15. Объясните концепцию эволюционной «гонки вооружений». Глава 4: Эволюция и классификация организмов 4.1 Перечислите три существенных различия между прокариотами и эукариотами. Когда приблизительно эукариоты произошли от прокариот? 4.2 Назовите три царства, на которые подразделяются многоклеточные. 4.3. Опишите три различия между первичноротыми и вторичноротыми. Почему зоологи считают, что это подразделение знаменует собой очень ранние эволю- ционные различия этих групп животных? 4.4. Что означает термин «филогения»? Объясните, что означает фраза «в онтоге- незе воспроизводится филогенез». 4.5. Почему подразделение царства животных на позвоночных и беспозвоночных рассматривается как антропоцентрическое? 4.6. Используя схему классификации в разделе 4.6, классифицируйте 1) макака, 2) домашнюю кошку, 3) дрозофилу, 4) кальмара. Какое из животных согласно это схеме наиболее близко к человеку? 4.7. Какой из типов включает животных, напоминающих формы, из которых раз- вились все современные животные? 4.8. К какому типу относится Caenorhabditis elegansl Почему это животное так важ- но для молекулярной нейробиологии? 4.9. К какому типу относятся улитки, сердцевидки, кальмары и осьминоги? 4.10. Какая особенность членистоногих исключает их рост до больших разме- ров? 4.11. Назовите два подтипа, на которые подразделяются членистоногие. 4.12. Влияет ли твердый наружный скелет на природу органов чувств, которые раз- вились у членистоногих? Если да, то как? 4.13. Сколько приблизительно существует видов хордовых? Сколько — моллюсков? Сколько — членистоногих? 4.14. К какому подтипу относится ланцетник Amphioxus? 4.15. В чем состоят отличия между Chondrichthyes (Elasmobranchii) и Osteichthyes? Приведите примеры. 4.16. Какие классы позвоночных относятся к анамниям, а какие — к амниотам? 4.17. По каким эволюционным причинам змеи утратили конечности? 4.18. К какому отряду млекопитающих относятся летучие мыши? К какому — мы- ши и крысы? К какому — макаки и люди? 4.19. Думаете ли вы, что формы животных могли бы существенно отличаться от тех, которые мы видим сегодня, или вы полагаете, что естественный отбор привел к ограничению числа морфологий до небольшого количества оптимально ор- ганизованных? Приведите аргументы.
74 Часть I. Предварительные сведения Замечания и библиография Глава 1: Основы Вступительная часть первого раздела этой главы опирается на «эгоистичные гены», для популяризации которых так много сделал Ричард Докинс (Richard Dawkins, 1976, 1995). Детали структуры и функционирования рибозимов даны у Narliker & Herschlag (1997) и Herschlag (1998). Исчерпывающие сведения по молекулярной биологии можно найти, например, в Alberts et al. (1994), а об- суждение структуры мембраны, рецепторных белков и каналов — в Smith (1996). Вездесущность семидоменных рецепторов подчеркнута Shepherd et al. (1998), а G-белок связанные сигнальные системы обсуждаются у Birnbaumer et al. (1990) и Bourne, Sanders & McCormick (1991), тогда как общий обзор сделан Smith (1995). Shepherd et al. (1998) описывают проект «Мозг челове- ка», начатый в 1990-е годы и финансируемый рядом агентств США. Проект, использующий интернет-технологии высокого уровня, направлен на накоп- ление огромного количества информации по нейрологическим наукам на различных уровнях — от молекулярного до целого мозга — полученного в ис- следовательских лабораториях. В этом отношении проект сравним, хотя он и намного более сложен, с чрезвычайно успешным проектом «Геном человека» в молекулярной биологии. Alberts, В., D. Bray, J. Lewis, М. Raff and J. D. Watson, 1994, Molecular Biology of the Cell (3rd edn), New York: Garland. Birnbaumer, L. et al., 1990, «Roles of G-proteins in coupling receptors to ion channels», in Transmembrane Signalling: Intracellular messengers and implications for drug development, S. R. Nahorski, ed., Chichester: Wiley. Bourne, H. R., D. A. Sanders and E. McCoemick, 1991, «The GTPase superfamily: con- served structure and molecular mechanism», Nature, 349, 117-127. Dawkins, R., 1976, The Selfich Gene, Oxford: Oxford University Press. Dawkins, R., 1995, River out of Eden, London: Weidenfeld and Nicolson. Herschlag, D., 1998, «Rybozyme crevices and catalysis», Nature, 395, 548—549. Narliker, G. J. and D. Herschlag, 1997, «Mechanistic aspects of enzyme catalysis: Lessons from comparison of RNA and protein enzymes», Annual Review of Biochemistry, 66, 14-59. Shepherd et al., 1998, «The Human Brain Project: neuroinformatics tools for integrating, searching and modelling multidisciplinary neuroscientific data», Trends in Neuroscien- ces, 21, 460-468. Smith, C. U. M., 1995, «Membrane signalling systems», in Biomembranes: General princi- ples, A. G. Lee, ed., Greenwich, CT., JAI Press, vol. 1, pp. 245—270. Smith, C. U. M., 1996, Elements of Molecular Neurobiology (2nd edn), Chichester: Wiley. Глава 2: Мембрана и потенциал действия Данные по потенциалу покоя и потенциалу действия на возбудимых мембра- нах можно найти во всех учебниках по нейрофизиологии. Aidley (1989) дает более продвинутый подход к вопросу, a Hille (1992) — вероятно, лучший обзор данных по биофизике и молекулярной биологии ионных каналов. Классичес- кое изложение данных по электротоническому проведению дано Rail (1977), а менее математизированное введение в материал можно найти у Shepherd (1998) и Smith (1996).
Материалы к части I 75 Aidley, D. J., 1989, The Physiology of Excitable Cells (3rd edn), Cambridge: Cambridge University Press. Hille, B., 1992, Ionic Channels in Excitable Membranes (2nd edn), Sunderland, MA: Sinauer. Rail, W., 1977, «Core conductor theory and cable properties of neurons», in Handbook of Neurophysiology, Bethesda, MD, American Physiological Society, vol. 1, section 1, pp. 39-97. Shepherd, G. M., 1998, The Synaptic Organisation of the Brain (3rd edn), Oxford: Oxford University Press. Smith, C. U. M., 1996, Elements of Molecular Neurobiology (2nd edn), Chichester: Wiley. Глава 3: Общие черты сенсорных систем Пионерские работы по хирургическому «переключению» сенсорных волокон у зародышей млекопитающих описаны Metin & Frost (1989) и Sur, Garraghty & Roe (1989). Stevens (1957) опубликовал классическую статью по соотношениям физической и субъективной интенсивности. Материалы по «проблеме связы- вания» можно найти у Crick (1994). Felleman & van Essen (1991) дали плодо- творный подход к «многослойной иерархии» участков зрительной коры, где реализуется параллельная и последовательная обработка информации, кото- рая передается, как «вверх», так и «вниз». Jacob (1977) обсуждает разнообразие эволюционного процесса. Crick, F. Н. С., 1994, The Astonishing Hypothesis, London: Simon and Schuster. Felleman, D. J. and D. van Essen, 1991, «Distributed hierarchical processing in the primate cerebral cortex», Cerebral Cortex, 1, 1—47. Hofstadter, D.R., 1979, Godel, Escher, Bach: an eternal golden braid, Hassocks: Harvester Press. Jacob, F., 1977, «Evolution and tinkering», Science, 196, 1161—1166. Metin, C. and D. Frost, 1989, «Visual responses of neurons in somatosensory cortex of ham- sters with experimentally-induced retinal projections to somatosensory thalamus», PNAS(USA),Z6, 357-361. Stevens, S. S., 1957, «On the psychophysical law», Psychological Review, 64, 153—181. Sur, M., P. E. Garraghty and A. W. Roe, 1989, «Experimentally-induced visual projections into auditory thalamus and cortex», Science, 242, 1437—1441. Глава 4: Эволюция и классификация организмов Две публикации Hennig (1950, 1966) — это основы метода зоологической клас- сификации, известной как кладистическая. Студенты, интересующиеся аль- тернативными системами классификации, могут познакомиться с более об- щепринятой эволюционной классификацией, почитав Nelson & Platnick (1984) и книгу Wiley (1981). Различие между Archaebacteria и Eubacteria впер- вые проведено Woese & Fox(1977), см. также Woese (1981). Archaebacteria в на- стоящее время по большей части связаны с экстремальными условиями суще- ствования: горячие источники, анаэробные, обогащенные метаном, условия и т.д. Возможно, это в какой-то степени схоже с условиями, которые существо- вали на ранних этапах истории Земли. То есть Archaebacteria могут рассматри- ваться как реликтовая группа наиболее древних обитателей земного шара. Они отличаются рядом черт своей биохимии и молекулярной биологии от своих потомков — Eubacteria. При этом они более тесно связаны с эукариотами, чем
76 Часть I. Предварительные сведения с Eubacteria. Молекулярно-биологические сведения о взаимосвязях основных групп организмов приведены у Doolittle etal. (1996), и Gu (1998), a Balavoine & Adoutte (1998) обсуждают данные, служащие основанием для фундаменталь- ных подразделений среди первичноротых. Затруднения и неясности молеку- лярных методов определения филогении в сжатой форме описаны Lake & Moore (1998). Конвэй Моррис (Conway Morris, 1998b) обсуждает недавние па- леонтологические работы по происхождению многоклеточных и приводит ан- нотированную библиографию. Исчерпывающий, изложенный в доступной форме, обзор классификации животного мира можно найти у Margulis & Schwartz (1998). Стивен Гулд (Stephen Gould, 1989) дает впечатляющий анализ смысла открытия удивительных докембрийских отложений Бэрджес Шале высоко в канадских Скалистых горах, а Конвей Моррис (Conway Morris, 1998b) — в равной мере интригующие описания этих и других отложений, и интересные выводы. Balavoine, G. and A. Adoutte, 1998, «One or three Cambrian radiations?», Science, 280, 397-398. Caroll, R.L., 1988, Vertebrate Paleontology and Evolution, New York: Freeman. Doolittle, R.F. etal., 1996, «Determining the divergence times of the major kingdoms of liv- ing organisms with a protein clock», Science, 271,470—477. Gould, S. J., 1989, Wonderful Life, New York: Norton. Gu, X., 1998, «Early metazoan divergence was about 830 million years ago», Journal of Molecular Evolution, 47, 369—371. Hennig, W., 1950, Grundzuge einer Theorie der phylogentischen Systematik, Berlin: Deutscher Zentralverlag. Hennig, W., 1966. Phylogenetic Systematics, Urbana: University of Illinois Press. Lake, J. A. and J. E. Moore, 1998, «Phylogenetic analysis and comparative genomics», in Trends in Bioinformatics, pp. 22—24, Cambridge: Elsevier. Margulis, L. and К. V. Schwartz, 1998, The Five Kingdoms: An Illustrated Guide to the Phyla of Life on the Earth (3 rd edn), San Francisco: W. H. Freeman. Morris, S. C., 1998a, The Crucible of Creation, Oxford: Oxford University Press. Morris, S. C., 1998b, «Metazoan phylogenies: falling into place or falling to pieces? A palaeontological perspective», Current Opinion in Genetics and Development, 8, 662-667. Nelson, G. and N. Platnick, 1984, «Systematics and Evolution», in Beyond Neo-Darwinism, Mae-Wan Ho and Peter Saunders, eds, London: Academic Press. Wiley, E. O., 1981, Phylogenetics: The theory and practice of phylogenetic systems, New York: Wiley. Woese, C. R. andG. E. Fox, 1977, «The concept of cellular evolution», Journal of Molecular Evolution, 10, 16. Woese, C. R., 1981, «Archaebacteria», Scientific American 244(6), 98—122. Young, J. Z., 1962, Life of Vertebrates (2nd edn), Oxford: Clarendon Press.
Часть II МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ «Без осязания не может существовать животное... утрата даже одного этого чувства несет смерть.» Аристотель (de Anima: 435b4-5) Из всех чувств осязание часто рассматривается как наиболее важное. Аристо- тель, величайший из биологов, подметил это еще две с половиной тысячи лет назад — в греческую античность. Эпиграф ясно показывает, что он считал ося- зание основным чувством у всех животных. Там же он утверждает, что «это единственное чувство, которое есть у всех животных без исключения» (de Anima: 414ЬЗ), и такое мнение мало изменилось за прошедшие эпохи. Мы уви- дим в конце этой книги в гл. 23, каким важным его считали многие философы- эмпирики. Можно быть слепым или глухим, а при трагических обстоятельст- вах — слепоглухим, но сохраненное осязание, как показывает знаменитый пример Элен Келлер, позволяет существовать. Тактильное чувство — ответ на механическое смещение, как мы увидим в данной части книги, эволюционно очень древнее. Оно может быть прослеже- но до самых ранних прокариот, которым, как и все современным клеткам, тре- бовалась возможность контролировать целостность плазматических мембран. Раздувание вследствие действия осмотических сил требовало противодейст- вия, необходимо было также детектировать увеличение размера клетки перед делением. Мы увидим в главах этой части, что механосенсоры организованы вокруг каналов, чувствительных к растяжению мембраны. Мы увидим также, что такая организация означает, что определение состояния мембраны проис- ходит немедленно, а ответ наступает быстро. В данном случае нет необходимо- сти в G-белковой мембранной биохимии, как в случае рецепторов других ор- ганов чувств. Функции механорецепторов в животном царстве многочисленны. Это ос- нова не только определения натяжения и прикосновения, но и важный эле- мент ощущения вибрации, ускорения, звука, движений тела и его положения и т. д. Вероятно, все эти функции основываются на чувствительных к растяже- нию каналах плазматической мембраны. Единственный такой канал, изучен- ный к настоящему времени в молекулярных деталях, экспрессируется у Е. coli и С. elegans. Поэтому мы и начнем гл. 5 с рассмотрения детектора растяжения Е. coli. Здесь же удобно обсудить и некоторые рецепторы растяжения, детекти- рующие изменения объема и растяжение в клетках эукариот. Специально мы рассмотрим также клетки гипоталамуса млекопитающих, которые чувствуют и контролируют осмолярность крови.
78 Часть II. Механочувствительность В гл. 6 мы перейдем к сложным системам, в которых участвуют рецепторы растяжения у высших животных. Здесь они участвуют в т. н. кинестезии. Все животные нуждаются в информации об относительном расположении частей собственного тела. У животных с неэластичным, жестким наружным скелетом (у членистоногих) такая информация может быть получена в основном (но не полностью) путем детектирования движений и положения различных сегмен- тов и члеников их тел. У мягкотелых форм, опирающихся на внутренний ске- лет, таких как позвоночные, кинестезия зависит от восприятия движений и напряжения в мышцах и связках тела. Далее, в гл. 7 мы перейдем к собственно чувству осязания и рассмотрим хорошо изученный осязательный детектор С. elegans перед тем, как сделать обзор некоторых из множества осязательных рецепторов животного царства. Мы рассмотрим два основных случая — насекомых и позвоночных. Значи- тельные отличия организации животных этих классов определяют и то, что развившиеся у них органы тактильной чувствительности тоже радикально различаются. Насекомые с их твердым наружным скелетом широко исполь- зуют осязательные волоски и хордотональные органы. Мы проследим разви- тие этих типов тактильных рецепторов вплоть до наиболее высокого уровня их организации, позволяющей чувствовать колебания воздуха. Иными сло- вами, в завершение, мы рассмотрим «уши» насекомых, в особенности бабо- чек, которые развили способность обнаруживать ультразвуковой сонар хищ- ных летучих мышей. Что касается позвоночных, мы сосредоточим внимание на нескольких типах тактильных рецепторов кожи млекопитающих. Кожа, в отличие от твердого карапакса членистоногих, может рассматриваться как сенсорная поверхность в собственном значении этого понятия, и мы рассмотрим, как полученная информация передается в соматосенсорную кору. В гл. 8 мы обсудим волосковые клетки позвоночных. Это — одни из самых удивительных сенсорных клеток, которые сформировались в царстве живот- ных. Мы рассмотрим пути, которыми они развивались от эхолокационных ус- тройств органа боковой линии рыб до детекторов равновесия в мембранном лабиринте и до улитки уха млекопитающих. Нетрудно доказать, что в этом удивительном органе механорецепция достигает высшего уровня развития в эволюции. Мы рассмотрим, как устроена улитка насекомоядных летучих мы- шей, способная обнаружить тончайшее эхо от двигающихся насекомых и, та- ким образом, продолжим удивительную историю о гонке вооружений между бабочками и мелкими рукокрылыми, начатую в гл. 7. Мы завершим часть II рассмотрением в гл. 9 того, что происходит с инфор- мацией, полученной ухом млекопитающего, когда она достигает центральной нервной системы. Рассмотрим пути, которыми импульсация из мембранного лабиринта обеспечивает поддержание позы и равновесия. Исследуем слуховые пути к первичной слуховой коре в теменной доле мозга, отмечая, каким обра- зом выделяется существенная для жизни животного часть сигнала. У насеко- моядных рукокрылых такой существенной частью является эхо от их соб- ственного ультразвукового сонара. Таким образом, мы завершим историю, из- лагаемую в гл. 7 и 8, обсуждением анализа ультразвукового эха в коре мелких рукокрылых. Для Homo sapiens наиболее существенными характеристиками
Часть II. Механочувствительность 79 звуковой информации являются основные звуки речи. Мы рассмотрим приро- ду этих звуков и то, как они обрабатываются мозгом. Из этого короткого резюме видно, что механорецепторы многочисленны и разнообразны. И хотя на молекулярном уровне ионные каналы, чувствитель- ные к растяжению, могут быть и едины, разнообразие строения этих органов на макроскопическом уровне подразумевает неисчислимое количество путей их эволюционного развития. В этом отношении механорецепторы отличаются от хемо- и фоторецепторов, которые демонстрируют огромное сходство орга- низации во всем царстве животных. В атмосфере Земли и, в меньшей степе- ни — в гидросфере (китообразные), механорецепторы развились (а, может быть, еще и продолжают развиваться) до такой степени, что обеспечили пора- зительно чувствительные сложнейшие средства коммуникации индивидов.
5. МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН Е. coli: формирование гигантских клеток локальная фиксация потен- циала — два типа механочувствительных каналов (МчкВ и МчкМ) — выделение МчкВ: структура, биофизика, биологическое значение как осморецептора — другие бактерии. Осморецепторы млекопитающих: крупноклеточные нейроны (ККН) гипоталамуса — нейросекреция вазо- прессина и окситоцина — локальная фиксация потенциала ККН — био- физика — каналы, инактивируемые растяжением (КИ) — петля обрат- ной связи, контролирующая потерю воды или ее удержание в ответ на гипер- или гипотоничность внеклеточной жидкости. Заключение: моле- кулярная структура большинства механочувствительных каналов до сих пор неизвестна — возможные общие черты — в центре сложных нейро- эндокринных взаимодействий В эволюционном отношении механорецепторы очень стары, они вездесущи. Они функционируют различными путями, детектируя растяжение и прикос- новение, даже еле уловимое колебание звуковых волн. Возможно, у них одна и та же молекулярная основа. В данной главе мы в первую очередь рассмотрим единственный (к моменту написания этой книги) известный в молекулярно- биологических деталях механорецептор. Это — механочувствительные каналы плазматической мембраны Е. coli. Затем мы уделим внимание рецепции растя- жения в эукариотических клетках высших животных. В обоих случаях рецеп- торы растяжения чрезвычайно важны в детектировании осмотического разду- вания клетки, поэтому они используются как осморецепторы гипоталамуса млекопитающих. В последующих главах мы увидим, что о молекулярной структуре и функ- ции хемо- и фоторецепторов известно очень многое. То, что на молекулярном уровне проанализирован лишь один тип механорецепторов, является главным образом следствием отсутствия доступных клеток, богатых рецепторами дру- гих типов. Поэтому-то и не удалось пока применить все более мощные методы молекулярной биологии к их анализу. Исключение составляют механочувст- вительные каналы Е. coli. 5.1. Механочувствительные каналы Е. coli Почему же избрана Е. coli? Просто потому, что она (кишечная палочка) изуче- на лучше всех других организмов. Ее короткий срок воспроизводства и лег- кость культивирования дает возможность быстро накопить большое количест-
5. Механочувствительность клеточных мембран 81 во материала. Хорошо изучена и ее генетика, и молекулярная биология. Е. coli — это грам-отрицательная бактерия, и, как и другие такие бактерии, имеет сложное устройство клеточной стенки, включающей наружную липопо- лисахаридную мембрану, белково-гликановую клеточную стенку и внутрен- нюю плазматическую мембрану. Последняя — это типичный фосфолипидный бислой, содержащий погруженные в него белки, как это описывалось в гл. 1. Многие из этих белков клонированы и подверглись молекулярно-биологичес- кому анализу. Чтобы определить биофизический ответ мембраны на механическое воз- действие, необходимо использовать технику локальной фиксации потенциала. Она описана в Дополнении А, но вкратце сводится к помещению на мембрану интересующей нас клетки стеклянной микропипетки (диаметр кончика 0,5 мкм). Между кончиком пипетки и плазматической мембраной образуется очень большое электрическое сопротивление (порядка 10 ГОм), что позволяет регистрировать токи амплитудой в диапазоне пикоампер. Микропипетка за- полнена электролитом и соединена с соответствующей электрофизиологичес- кой аппаратурой, таким образом, чтобы регистрировать токи через мембрану. Последнюю можно оставить in situ или с помощью аккуратного засасывания в пипетку вырвать из клетки и изучать в изолированном состоянии. В обоих слу- чаях можно измерять токи через единичный мембранный канал. К сожалению для специалистов по фиксации потенциала, большинство бактерий слишком малы, для того чтобы экспериментаторы могли показать на них свое искусство. Например, Е. coli всего 2 мкм длиной и 1 мкм в диаметре — слишком мало, чтобы можно было выполнить фиксацию потенциала совре- менными методами. Похоже, именно малые размеры прокариот уберегли их от излишнего любопытства со стороны физиологов. Этих ребят, правда, не так легко обескуражить, и обходной путь они все-таки нашли. Раз Е. coli слишком мала для физиологов, значит, она должна стать больше! К счастью, существуют методы получения «гигантских» клеток Е. coli с по- мощью антибиотиков. Если, например, культивиров&цъЕ. coli в цефалексине, аналоге пенициллина, наблюдается репликация ДНК и увеличение размера клетки без клеточного деления. В результате формируются филаменты, похо- жие на нитки бус, длиной до 100 мкм, которые при обработке раствором ЭДТА с лизоцимом преобразуются в сферы диаметром до 10 мкм. Этот размер уже пригоден для выполнения локальной фиксации потенциала. Единственная проблема — с наружной или внутренней мембраной образует соединение ми- кропипетка, однако исследования показали, что это все-таки внутренняя мем- брана. Вероятно, когда поверхность бактерии засасывают для фиксации по- тенциала внутрь микропипетки, ее кончик разрушает наружную мембрану и клеточную стенку и соединяется именно в внутренней мембраной. Схема та- кого эксперимента показана на рис. 5.1. Обнаружены два типа механочувствительных каналов (Мчк): каналы высо- кой проводимости (МчкВ) — с проводимостью порядка 3000 пСи и каналы малой проводимости (МчкМ) — с проводимостью около 1000 пСи. Если лате- ральное натяжение фиксируемой мембраны увеличивается вследствие ее вса- сывания в микропипетку, каналы открываются. То, что высокая и низкая про- водимости МчкВ и МчкМ — следствие активности двух разных типов каналов,
82 Часть II. Механочувствительность Культивирование бактерий в антибиотике Обработка ЭДТА с лизоцимом В Рис. 5.1. Локальная фиксация потенциала Е. coli. (А) клетки Е. coli. (Б) Культивирование в среде, содержащей цефалексин, и формирование длинных фила- ментов. (В) Обработка филамен- тов ЭДТА + лизоцимом и округ- ление их до формирования боль- шого сферопласта. (Г) Микро- электрод (диаметр кончика около 0,5 мкм) введен для локальной фиксации потенциала. Осталь- ные объяснения — в тексте. а не разных состояний одного и того же, доказывается с помощью «нокаута» гена МчкВ. Характеристики проводимости МчкМ определяются именно в та- ких «нокаутных» бактериях. Натяжение, требуемое для открывания этих ка- налов, составляет прибл. 0,7 от того, которое необходимо для открывания МчкВ. Есть данные о присутствии в мембране каналов с еще меньшей прово- димостью. Анализ МчкВ был продолжен с помощью сложной техники современной молекулярной биологии. Метод состоит в включении фрагментов мембраны в липосомы из фосфолипидов другого вида и повторной локальной фиксации потенциала, чтобы подтвердить наличие механочувствительных каналов. Бел- ки из таких липосом могут быть экстрагированы умеренными детергентами и очищены с помощью биохимических методик, каждая стадия тестируется ме- тодом фиксации потенциала и так до получения чистой фракции каналов. Вы- яснилось, что молекулярная масса канала Мг составляет около 17 кДа. N-ko- нец аминокислотной последовательности 17 кДа-белка был сиквенирован, а затем в полной к настоящему времени базе данных генома Е. coli был проведен поиск гена, содержащего соответствующую последовательность нуклеотидов.
5. Механочувствительность клеточных мембран 83 30 мм рт. ст. +20 мВ с о Рис. 5.2. Биофизические характеристики МчкВ. Канальный белок был очищен и встроен в фосфатидилхолин/фосфатидилсериновые липосомы. В условиях пэтч- клямпа липосомы подвергались различной степени всасывания в микропипетку (30 и 40 мм рт. ст.). Отклонения, направленные на рисунке вверх, показывают ион- ные потоки, несущие деполяризующие токи. Видно, что вероятность открытого со- стояния канала значительно возрастает при увеличении силы всасывания. Из Р. Blount etal., 1996, «Membrane topology and multimeric structure of a mechanosensitive channel protein of Escherichia coli», EMBO Journal, 15, 4801. Воспроизводится с разре- шения Европейской Организации по Молекулярной Биологии. Эта последовательность была обнаружена в гене, функция которого ранее не была известна. Путем сложных молекулярно-биологических процедур ген был экспрессирован, а полученный белок встроен в фосфолипидные липосомы, которые при пэтч-клямпе продемонстрировали наличие механочувствитель- ных каналов. ( Поскольку МчкВ удалось выделить и встроить в искусственные фосфоли- пидные липосомы, стало возможным детально изучить биофизические харак- теристики каналов. Как и большинство других мембранных каналов, они имеют несколько уровней проведения (рис. 5.2). Существует строгая зависи- мость вероятности открытого состояния канала от латерального натяжения мембраны, которая описывается крутой сигмовидной кривой. Данных об их ионной селективности нет, и это, вместе с большой проводимостью канала, предполагает наличие широкой водной поры. Изоляция белка МчкВ и идентификация соответствующего гена позволила определить молекулярную структуру белка. Это — сравнительно небольшой белок из 136 аминокислотных остатков, на N-конце которого находится учас- ток гидрофильных остатков, затем — сильно гидрофобных аминокислот (19—49), далее — еще один гидрофильный (50—69), второй гидрофобный сег- мент (72—100) и, наконец, гидрофильная последовательность до С-конца. Тщательное изучение физико-химических характеристик полипептида пока- зывает, что два гидрофобных сегмента образуют а-спирали (Ml и М2), прони- зывающие мембрану. И N-, и С-концы локализованы внутриклеточно, и есть
84 Часть II. Механочувствительность Рис. 5.3. Структура и мембранная топология МчкВ. (А) Ориентация белка МчкВ в мембране. Дальнейшие объяснения в тексте. Критичный глютаминовый остаток в 56-м положении аминокислотной цепи обозначен звездочкой. (Б) 6 субъединиц МчкВ группируются, образуя компактный цилиндр, пронизывающий мембрану. Когда мембрана напряжена, в центре цилиндра открывается гидрофильная пора. Из Sukharev et al., 1997, Annual Review of Physiology, 59,63—657. С разрешения Annual ^Review of Physiology, volume 59, © 1997, Annual Reviews www.annualreviews.org. основания полагать, что существует короткий спиральный участок (S3) во внеклеточном сегменте между Ml и М2 (рис. 5.3 А). По аналогии с другими потенциал-зависимыми каналами, такими, как Ка+-канал, описанный в гл. 1, было сделано предположение, что участок S3 образует часть белка, выстилаю- щую канал. Действительно, как мы увидим ниже, накапливаются данные ис- следований мутагенеза, подтверждающие такое предположение. Одиночный белок МчкВ не в состоянии сформировать канал с воротными свойствами, характерными для природного МчкВ. Работоспособный канал должен быть мультимерным комплексом. Это соответствует структуре многих других канальных белков (см. гл. 1). Хотя некоторые дебаты на эту тему и про- должаются, общее мнение в настоящее время сводится к тому, что МчкВ со- стоит из шести субъединиц, сгруппированных вокруг центрального водного канала (рис. 5.3 Б). Когда мембрана подвергается механическому напряже- нию, субъединицы несколько удаляются друг от друга и канал, образуемый ими, открывается. Выделение белка МчкВ и его гена mscl открыло возможность генетических исследований структурно-функциональных взаимоотношений. Этому, есте- ственно, весьма способствовало глубокое понимание генетики Е. coli, созда- вавшееся за долгие годы. Исследования продолжаются и сейчас, в момент на- писания этой книги, но уже сейчас, как упоминалось выше, получены некото-
5. Механочувствительность клеточных мембран 85 рые интересные сведения. Один из аминокислотных остатков в «нижней час- ти» периплазматической спирали S3 кажется особенно критичным. Это глю- таминовый остаток в положении 56 (Q56) (см. рис. 5.3 А). Различные замеще- ния аминокислотных остатков в этом положении значительно увеличивают время открытого состояния канала при данном значении механического на- пряжения. Некоторые замены, в частности замена в этом положении глюта- мина на пролин (принятое у молекулярных биологов обозначение — Q56P), делает чувствительность канала к напряжению поверхности значительно ни- же, чем та, которая требуется для его открывания. Замены в других частях це- пи канального белка, хотя и не имеют таких драматических эффектов, однако изменяют его функцию интересным и наводящим на размышления образом. Продолжающиеся и сегодня генетические исследования структурно-функци- ональных взаимоотношений в конце концов приведет к пониманию организа- ции механочувствительных каналов во всей полноте их молекулярных и даже атомарных деталей. Развились ли сходные каналы в плазматических мембранах других бакте- рий? Поскольку нуклеотидная последовательность гена mscl определена, стало возможным изготовить олигонуклеотидные зонды для поиска гомологичных генов у других бактерий. Существование таких генов показано у многих, как грам-отрицательных, так и грам-положительных бактерий, например у Нае- mophilis influenzae и Pseudomonas fluorescens (обе — грам-отрицательные), а так- же Clostridium perfringens и Staphylococcus aureus (обе — грам-положительные). Удивительно, но поиск гомологий у эукариотических клеток пока принес только отрицательные результаты. Наконец, какова же роль, которую играют в жизни бактерий механочувст- вительные каналы? Может быть, это покажется удивительным, но пока обще- принятого ответа на этот вопрос не существует. Наиболее вероятно, что эти каналы связаны с осморегуляцией. При воздействии пресной воды, например при дождях, бактерии испытывают значительное осмотическое напряжение. Молекулы воды движутся по градиенту концентрации внутрь клетки, и возни- кающее вследствие этого разбухание улавливается механочувствительными каналами в плазматической мембране. Возможно, за счет потока водораство- римых соединений (за исключением макромолекул) наружу каналы противо- действуют осмотическому напряжению, уменьшая градиент концентраций. Помимо функции, связанной с контролем осмотического разбухания, механо- рецепторы, как можно полагать, участвуют и в детектировании увеличения объема клетки вследствие роста и, таким образом, опосредуют включение ме- ханизма клеточного деления. 5.2. Детектирование осмотического разбухания гипоталамическими клетками млекопитающих Осмотический стресс для эукариотических клеток животных не менее значим, чем для прокариотических одноклеточных. Большинство животных пойкило- осмотичны: осмолярность их внутренней среды быстро приходит в равновесие с осмолярностью внешней. Лишь немногие животные, среди которых и мле-
86 Часть II. Механочувствительность копитающие, способны контролировать осмолярность своей внутренней сре- ды и именуются «гомео-осмотичными». Механизм рефлекса, осуществляю- щего такой контроль, зависит от изменений осмолярности внутренней среды, т. е., в конечном счете от состояния внеклеточной жидкости (ВКЖ). Это де- тектирование осуществляется рецепторами растяжения в мембранах осморе- цепторных клеток, которые поэтому могут рассматриваться как энторомехано- рецепторы. *В организмах млекопитающих осморецепторы принимают форму больших (крупноклеточных) нейронов, локализованных в ядрах передней части гипота- ламуса. Наиболее важными из этих ядер являются паравентрикулярное ядро (OVLT) в передней оконечности гипоталамуса и супраоптическое ядро, распо- ложенное непосредственно над зрительным перекрестом (рис. 5.4). Крупно- клеточные нейроны (ККН) паравентрикулярного ядра посылают часть своих аксонов в супраоптическое ядро, а остальные — прямо вниз в инфундибуляр- ную ножку задней доли гипофиза. Аксоны ККН супраоптического ядра так- же проецируются через инфундибулярную ножку в заднюю долю гипофиза. В обоих случаях аксоны дают сильно ветвящиеся окончания, содержащие нейросекрет. Это — главным образом небольшие пептиды, в данном контекс- те наиболее интересны пептидные гормоны, содержащие по 9 аминокислот- ных остатков — вазопрессин и окситоцин. Оба гормона выделяются в гипофи- зарные кровеносные сосуды, откуда выносятся в систему кровообращения. У человека окситоцин вызывает сокращение матки и секрецию молока в пе- риод лактации, однако на крысах (на которых была возможность проводить эксперименты) оказывает натриуретическое (т. е. вызывает экскрецию Na+) действие. Вазопрессин, как у человека, так и у крыс является антидиуретиком (т. е. удерживает воду). Капилляры супраоптического ядра чрезвычайно сильно развиты. Деталь- ное количественное микроскопическое исследование показало, что плот- ность капилляров, объем и площадь поверхности в 4 раза выше, чем в некруп- ноклеточных ядрах гипоталамуса. Капилляры, при их чрезвычайной много- численности здесь необычно малого размера. Это, с учетом сопротивления плазмы, предполагает необычно большие возможности для воды и других ма- лых молекул покинуть кровоток через эндотелий в межклеточное простран- ство. Паравентрикулярное ядро в большей степени сообщается с плазмой. Здесь отсутствует гематоэнцефалический барьер, а эндотелиальные стенки капилляров во многих места продырявлены. Таким образом, ККН в этом яд- ре в большей степени повержено и изменениям состава плазмы, чем в супра- оптическом ядре. Электрофизиологические отведения от ККН обоих гипоталамических ядер показали, что частота импульсации меняется в зависимости от осмолярности. При осмолярности 280 мосмоль/кг импульсация достаточно нерегулярна, а ее частота составляет 2—3 Гц; интраперитонеальная инъекция воды (приводящая к гипотоничности ВКЖ) уменьшает частоту импульсации, тогда как инъекция гипертонического раствора ее повышает. Дальнейшие исследования были проведены на тонких срезах гипоталамуса, содержащих ККН. Здесь оказалось возможным продемонстрировать, что клетки деполяризуются в ответ на вве- дение гипертонического раствора. Наконец, микроэлектродные отведения от
5. Механочувствительность клеточных мембран 87 Рис. 5.4. Парасагитальный срез гипоталамуса показывает положение ядер. Гипота- ламус содержит значительное число ядер, большинство из которых связано с регу- ляцией внутренней среды. Как указывается в тексте, паравентрикулярное (PV) и супраоптическое (SO) ядра (показаны на рисунке наиболее темным) в наибольшей степени связаны с осморегуляцией. А — аркуатное ядро; АС — передняя комиссу- ра; АН — переднее гипоталамическое ядро; СС — мозолистое тело; DM — дорзо- медиальное ядро; М — сосцевидное тело; ME — медиальный бугорок; ОС — зри- тельный перекрест; Р — преоптическое ядро; PH — заднее гипоталамическое ядро; PV — паравентрикулярное ядро; SC — супрахиазматическое ядро; SO — супра- оптическое ядро; ТС — серый бугор; VM — вентромедиальное ядро. изолированных одиночных ККН показали, что гипертонический раствор вы- зывает деполяризацию мембраны, тогда как гипотонический — гиперполяри- зацию. Возможно ли установить связь между электрофизиологическими ответами и вызванными осмосом изменениями объема ККН? В настоящее время полу- чены доказательства того, что это действительно так. Чтобы установить корре- ляцию между изменениями объема ККН со скоростью проведения катионов через клеточную мембрану в ответ на гипертонический стимул, пришлось вы- полнить очень тонкую работу. Техника эксперимента включала использование конфокального лазерного микроскопа и фиксацию потенциала клетки. Пока-
88 Часть II. Механочувствительность Б Гипотоничность (275 миллиосГмолей, моем) Нормальный уровень осмотичности (295 моем) Гипертоничность (315 моем) wrrnwa wmmtv Рис. 5.5. (А) Фиксация потенциала (пэтч-клямп) крупноклеточного нейрона (ККН). (а) Засасывание мембраны в пипетку заставляет мембрану выгибаться вверх; (б) умень- шение подсасывания позволяет мембране вернуться к ее нормальному положению; (в) при дальнейшем уменьшении подсасывающего давления мембрана прогибается внутрь. Вероятность открывания механочувствительных каналов максимальна в поло- жении (б). (Б) Ответ инактивируемых натяжением (ИН) каналов на тоничность окру- жающей среды. В изотонических условиях открыты немногие каналы, что позволяет некоторому количеству положительно заряженных ионов входить в клетку и обеспечи- вать нормальный потенциал покоя. Гипотонические растворы вызывают раздувание клетки, каналы закрываются, а клетка гиперполяризуется. Гипертонический раство- ры вызывают потерю воды клеткой и соответственно ее сжатие; вероятность открыва- ния каналов увеличивается и клетка деполяризуется. Дальнейшие объяснения в тексте. Из С. W. Bourque and S. Н. R. Oliet, 1997. «Osmoreceptors in the central nervous system», Annual Review of Physiology, 59, 613. Воспроизводится с разрешения Annual Review of Physiology, том 59, ©1997, Annual Reviews http://www.annualreviews.org. зано, что уменьшение размера клетки под действием гипертонического стиму- ла коррелирует с повышением мембранной проницаемости для Na+ и К+. Можем ли мы пойти дальше и показать, что этот ответ возникает благода- ря механочувствительности клеточной мембраны? Альтернативой является возможность, что наблюдающиеся электрофизиологические ответы просто являются следствием концентрации раствора в различных осмотических усло- виях. К счастью, сравнительно легко ответить на этот вопрос. При фиксации потенциала (пэтч-клямпе) всей поверхности клетки возможно изменить дав-
5. Механочувствительность клеточных мембран 89 ление на клеточную мембрану изменением подсасывающего давления в мик- ропипетке, поэтому без особого труда было показано, что уменьшение и уве- личение объема клетки под действием давления в микропипетке коррелирует ожидаемым образом с наблюдаемой деполяризацией и гиперполяризацией, соответственно. При фиксации потенциала на мембране, подсасывающее давление застав- ляет ее втягиваться дальше внутрь пипетки (т. е. становится вогнутой, если смотреть изнутри пипетки); при уменьшении подсасывающего давления мем- брана возвращается к неискривленному (почти горизонтальному) положе- нию, а потом даже выгибается внутрь (т. е. изнутри пипетки становится вы- пуклой) (рис. 5.5 А). Показано, что вероятность открывания (Ро) механочувст- вительных каналов максимальна в среднем положении и снижается, когда мембрана приобретает выпуклую или вогнутую форму. Это предполагает, что катионные каналы, как и МчкВ у”Е. coli, чувствительны к латеральным напря- жениям мембраны (рис. 5.5 Б). Надо, однако, отметить, что механочувстви- тельные каналы ККН работают противоположным образом по отношению к тому, как действуют МчкВ Е. coli — вместо того, чтобы открываться в ответ на натяжение они закрываются. Иными словами — это каналы, инактивируемые натяжением (ИН). К моменту написания данного текста молекулярная структура ИН-кана- лов была неизвестна. Только когда каналы будут выделены и определена их структура, будет возможен исчерпывающий анализ того, каким образом по- ток осмотической воды внутрь клетки может вызывать закрывание каналов. Уже сейчас, однако, мы можем проследить, как снижение осмолярности кро- ви приводит (через отток воды из ККН) к инактивации и, таким образом, уменьшению выделения вазопрессина и окситоцина. Эти гормоны действуют на почечные канальцы таким образом, чтобы уменьшить потерю воды (анти- диурез) и повысить потерю Na+ (натриурез). Уменьшение секреции этих гор- монов в результате гипотонической инактивации ККН тем самым приводит к повышению осмолярности крови до того, как ККН достигнут исходного размера. 5.3. Заключение Мы, конечно, еще в самом начале пути к пониманию природы механоч^стви- тельных каналов клеточной мембраны. Хотя каналы Е. coli в настоящее^ремя кажутся сильно отличными от тех, которые присутствуют в мембранах гипота- ламических крупноклеточных нейросекреторных нейронов, возможно, что продолжение исследований выявит их молекулярное сходство. Как мы увидим в последующих главах этой книги, очень часто молекулярные механизмы, воз- никшие в эволюции очень рано, остаются «сердцевиной» чрезвычайно слож- ных и высокоразвитых сенсорных систем высших животных. Возможно, это касается и осморецепторов ККН, рассмотренный выше. Молекулярные меха- низмы мембран этих клеток являются основой для формирования нейроэндо- кринной петли обратной связи, которая контролирует осмолярность «внут- ренней среды» млекопитающих.
6. КИНЕСТЕЗИЯ Кинестезия жизненно важна для активных животных. Кинестезия у членис- тоногих: рецепторы натяжения у десятиногих членистоногих — сенсиллы насекомых: структура и функция — типы механочувствительных сен- силл: волосковые — колоколообразные — сколопидии — хордо4ональ- ные органы; равновесие в полете — сенсоры положения передней части груди — жужжальца двукрылых. Кинестезия у млекопитающих: мышеч- ные веретена: моторные единицы — экстрафузальные и интрафузальные волокна — волокна с ядерной сумкой и с ядерной цепочкой — коактива- ция — фузимоторная система; сухожильные органы Гольджи: структу- ра — функция — рефлексы гомонимных, антагонистических и синер- гических мышц; соединенные рецепторы; представительство в мозге. Заключение: кинес/езический контроль поведенческих движений в сравнении с неуклюжими современными роботами Активным животным необходимы ощущение и контроль динамического по- ложения и ориентации тела. Для этого центральной нервной системе необхо- димо знать (помимо прочего) об уровне сокращения и (или) натяжения много- численных мышц и положении их сочленений. У животных с твердым внеш- ним скелетом, таких как членистоногие, это главным образом выполняется внешними сенсорами, воспринимающими движения и положение соединен- ных карапакса и конечностей. У мягкотелых форм с внутренним скелетом, та- ких, как позвоночные, намного больший упор — на контроле моментального состояния напряжения или расслабления мускулатуры тела. Эта информация имеет жизненно важное значение для активных позвоночных, а потому и для нас с вами. Подумайте о чудесах равновесия и контроля собственного тела, ко- торые демонстрируют фигуристы или гимнасты на Олимпийских играх, не го- воря уж о нашем повседневном опыте ходьбы, беготни по лестницам и перено- са подносов с напитками. Контроль позы и поведенческих движений требует постоянного отслеживания длины мышц, а также напряжения и положения суставно-связочного аппарата. Это так называемое кинестезическое чувство, в основном, бессознательно, тем не менее у всех нас есть «представление о соб- ственном теле», мы всегда не задумываясь знаем положение собственных ко- нечностей и т. д. Кинестезию иногда называют «шестым чувством», и для большинства из нас оно не менее важно, чем остальные пять. Кинестезическая информация, естественно, комбинируется с информаци- ей органа равновесия мембранного лабиринта и зрительной информацией от глаз. Эти сенсорные входы будут рассмотрены в гл. 9 и 17, соответственно.
6. Кинестезия 91 У насекомых аналогичная информация также доставляется глазами и сенсор- ными детекторами у основания крыльев, сочленения головы и груди, а у дву- крылых — в удивительных жужжальцах. Мы обсудим эти последние механиз- мы в разделе 6.13. 6.1. Кинестезические механизмы у членистоногих Членистоногие радикально отличаются от других животных наличием наруж- ного скелета (экзоскелета), а не внутреннего (эндоскелета). Сей факт имеет многочисленные последствия. Возможно, самое важное — это то, что членис- тоногие ограничены в размерах. Большинство из них измеряется миллиметра- ми и сантиметрами, а не метрами. Это имеет важные последствия и для их ор- ганов чувств. Твердый хитиновый экзоскелет не годится для развития сенсо- ров, чувствительных к расслаблению или напряжению поверхности. Тем не менее, как мы отмечали в гл. 4, членистоногие, особенно насекомые, являют- ся одним из наиболее успешных типов животных, а большинство из них пред- ставляют собой высокоактивные формы. Кинестезическое чувство хорошо развито. Чувствительные окончания развиваются не только в мышцах, но и в экзоскелетных сочленениях конечностей и в других частях тела. 6.1.1. Рецепторы натяжения в мышцах членистоногих Большие мышцы брюшка (абдоминальные мышцы) длиннотелых десятино- гих и сходных ракообразных имеют большое значение в биологии этих живот- ных. Сокращение вентральных мышц сгибает брюшко, и с помощью тельсона животное может отпрыгнуть от опасности. То есть правильное управление этими мышцами имеет важное значение. В частности, для ЦНС важно обла- дать информацией о состоянии их напряжения и сокращения. Рецепторы натяжения в больших мышцах дорзального отдела брюшка деся- тиногих и других ракообразных были изучены в классических экспериментах Александровича (Alexandrowicz) в 50-е годы XX века. У длиннотелых десятино- гих ракообразных, таких как омар Homarus gammarus и рак Astacus fluviatilis, па- ра модифицированных мышечных волокон, известных как рецепторные мышцы PMj и РМ2, обнаружена с каждой стороны шести сегментов брюшка, а также в мышце-разгибателе 7-го и 8-го грудных сегментов. Посредине каждого из этих мышечных волокон сократительный аппарат не развивается, вместо этого здесь образуется четко выраженный участок, в котором обильно ветвятся денд- риты больших мультиполярных нейросенсорных нейронов (сравните с мышеч- ным веретеном млекопитающих, описанным ниже) (рис. 6.1). Рис. 6.1 показывает, что, помимо больших нейросенсорных клеток, мото- нейроны иннервируют также РМ. Эти двигательные волокна образуют бифур- кацию и идут вдоль поверхности РМ, прежде чем сформировать нервно-мы- шечное соединение с сократимыми участками рецепторных мышц. Кроме то- го, одно или более волокон идут к нейросенсорной клетке и либо окачивают- ся на ее перикарионе и дендритах или (и) ветвятся на центральной части РМ. Внутриклеточные отведения показывают, что в условиях расслабления сенсорные клетки имеют Ит около 70 мВ. Натяжение деполяризует дендриты,
92 Часть II. Механочувствительность Рис. 6.1. Схематическое изображение рецепторов натяжения в абдоминальных сегментах рака Astacus fluviatilis. РМр РМ2 — рецепторные мышцы 1 и 2. СЩ — медленно адапти- рующийся сенсорный нейрон; СН2 — быстро адаптирующийся сенсорный нейрон; Ср С2 — сенсорные волокна; Moj —• три тонких двигательных волокна к РМр Мо2 — толстое двигательное волокно к РМ2; Т — тормозное волокно. Из Handbook of Physiology, Section 1, Volume 1, Neurophysiology (1959), p. 378. Воспроизводится с разрешения Амери- канского Физиологического Общества (The American Physiological Society). причем, чем сильнее натяжение, тем сильнее деполяризация. Когда потенциал мембраны нейросенсорной клетки, иннервирующей РМ2, достигает уровня 20 мВ (т. е. деполяризация составляет 50 мВ), в аксоне инициируется потенци- ал действия. Нейросенсорная клетка, иннервирующая РМр требует большей деполяризации (ок. 60 мВ) для запуска потенциала действия. В случае РМ2 им- пульсация в нейросенсорной клетке в ответ на постоянное натяжение адапти- руется в течение приблизительно минуты, т. е. является быстро адаптирующей- ся. Напротив, нейросенсорная клетка, иннервирующая PMj адаптируется к по- стоянному натяжению медленно и возвращается к уровню импульсации покоя за несколько часов (медленно адаптирующиеся клетки). Частота импульсов и в быстро-, и в медленно адаптирующихся нейросенсорных аксонах прямо связа- на с интенсивностью натяжения, которому подвергнута соответствующая РМ. Центральная нервная система в состоянии регулировать чувствительность этих рецепторов натяжения через дополнительные волокна двух типов — воз- будительных и тормозных. Стимуляция тормозных волокон подавляет им- пульсацию в аксонах нейросенсорных клеток в ответ на натяжение. Это про- исходит потому, что тормозные импульсы уменьшают деполяризацию, вы- званную в нейросенсорных клетках умеренным натяжением. Возбудительные
6. Кинестезия 93 волокна, подобно у-волокнам, идущим к интрафузальным волокнам млекопи- тающих (см. ниже), вызывают сокращение РМ вместе с обычными волокнами мышцы-разгибателя брюшка ракообразных. Если куда более сильные обычные мышечные волокна не сокращаются достаточно сильно, волокна РМ остаются в напряженном состоянии и стремятся сократиться сильнее. Затем рефлектор- ная обратная связь приводит к тому, что обычные волокна продолжают сокра- щаться до тех пор, пока натяжение не будет устранено, и нейросенсорные клетки перестанут детектировать натяжение. Эти рефлексы очень схожи с те- ми, которые наблюдаются у млекопитающих и исследованы намного более интенсивно, а потому и в большей степени понятны. Системы млекопитаю- щих детально описаны в разделе 6.2.1. 6.1.2. Сенсиллы насекомых Из-за малого размера рецепторы натяжения мышц насекомых изучены не так хорошо, как у ракообразных. Их мультиполярные нейроны связаны с множе- ством мышц, а их дендритные терминали, ветвящиеся по сарколемме, работа- ют как детекторы натяжения. Намного больше известны вездесущие у насеко- мых системы — сенсорные сенсиллы. Сенсиллы принимают поразительно огромное количество форм (рис. 6.2 А). К счастью, все они имеют фундаментально схожие планы строения, какую бы модальность они не распознавали (рис. 6.2 Б). Все они содержат одну или более нейросенсорную клетку в кутикулярном вместилище. Механочувствительные сенсиллы могут быть организованы для детектирования движений кутикуляр- ных сочленений экзоскелета и (или) конечностей или для реакции на относи- тельные движения структур внутри полости тела. Наиболее известный при- мер — это волосковые сенсиллы, колоколовидные сенсиллы и хордотональный орган. Мы все их обсудим последовательно. Рис. 6.2 Б показывает типичную волосковую сенсиллу. Она состоит из кутикулярного выроста, содержащего одну или более нейросенсорных клеток, а также несколько обкладочных. Ней- Рис. 6.2. (А) Различные типы сен- силл насекомых. А — трихоидная; Б — щетинковая; В — базикониче- ская; Г — плакоидная; Д — колоко- лообразная; Е — целоконическая; Ж — ампулярная; 3 — стил©кони- ческая; И — сколопидий. Из R. Y. Zacharuk, 1985, «Antennae and sensilla», in Comprehensive Insect Physiology, Biochemistry and Pharma- cology, 6, 26. Воспроизведено с раз- решения R. Y. Zacharuk и Elsevier Science.
94 Часть II. Механочувствительность Рис. 6.2. (Б) Типичная сенсилла насекомых. PC — ресничный си- нус; ОД — окончание дендрита; Г — базальная глиальная клетка; Т — трихогенная или промежу- точная клетка; Н — нейросенсор- ная клетка; ВС — внутренний сег- мент; НТ — наружная или тормо- генная клетка; НС — наружный сегмент (ресничка); СС — сен- силлярный синус. По Kerkut and Gilbert, 1985, р. 49. росенсорные клетки, имеющие крупные ядра, посылают длинные дендриты в кутикулярному выросту. Дендрит дифференцирован на два различающихся участка. Проксимальный сегмент (внутренний сегмент) сходен с перикарио- ном, тогда как дистальный (наружный сегмент) представляет собой модифици- рованную ресничку. Часто его так и называют — ресничкой, тем более, что она обладает типичной структурой микротрубочек 9 + 2. Эта ультраструктура про- стирается до кончика реснички, в отличие от веточек дендрита. В этом послед- нем случае микротрубочки распределяются по веточкам. Сенсорный аксон выходит из основания клетки и направляется непосредственно в ЦНС в соста- ве сенсорного нерва. Многочисленные обкладочные клетки сильно варьируют по форме в зави- симости от типа сенсиллы, но в целом относятся к трем типам: внутренние об- кладочные клетки (текогенные клетки), которые гомологичны окончанию ско- лопилия (см. ниже), промежуточные или трихогенные клетки и самые удален- ные от центра наружные или тормогенные клетки. Внутренние обкладочные клетки секретируют обкладку дендрита. Проксимальные окончания промежу- точных и наружных клеток омываются гемолимфой, содержащейся в гемоце- ле, а дистальные — посылают множество микроворсинок в сенсиллярный си- нус. Полагают, что эти клетки играют большую роль в питании и формирова- нии жидкости в сенсиллярном синусе. Стратегическое положение этих клеток между гемоцелем и синусом адаптировало эти клетки к их функциям. Помимо обкладочных клеток здесь также часто представлены промежуточные и базаль- ные клетки. Последние часто называются глиальными, поскольку они обер- тывают сенсорные аксоны, изолируя их друг от друга и от гемолимфы.
6. Кинестезия 95 Рис. 6.2. (В) Механочувствительная сенсилла в гибком сочленении. Наружный сегмент денд- рита трансформирован в тубулярное тельце, ко- торое входит в кутикулу волоска. К — кутикула; В К — вырост кутикулы; СТ — соединение тубу- лярного тельца с кутикулой волоска; ОД — обо- лочка дендрита; Э — эпидермальная клетка; ГС — гибкое сочленение; В — внутренняя об- кладочная клетка; Н — нейросенсорная клетка; НО — наружная обкладочная клетка; ПФ — подвешивающие филаменты; ZA — межклеточ- ный контакт zonula adherens. По М. S. Blum (ed.), 1985, Fundamentals of Insect Physiology, © 1985, John Wiley & Sons, Ltd. Воспроизводит- ся с разрешения John Wiley & Sons Ltd. Рис. 6.2. (Г) Однопоровая бимо- дальная сенсилла. В дополнение к механочувствительному нейрону с тубулярным тельцем здесь при- сутствуют одна или более нейро- сенсорных клеток, чьи наружные сегменты простираются до поры на окончании волоска. НС — наруж- ный сегмент дендрита; П — пора. Остальные обозначения — как на рис. 6.2 В. По М. S. Blum (ed.), 1985, Fundamentals of Insect Physio- logy, © 1985, John Wiley & Sons, Ltd. Воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Ltd. Сенсиллы отнюдь не только механочувствительны. В других местах этой книги мы встретимся с вкусовыми, обонятельными, гигроскопическими и термочувствительными сенсиллами. Модальность чувствительности опреде- ляется дендритом нейросенсорной клетки, содержащейся в сенсилле. Во мно- гих случаях в сенсиллах содержится больше, чем одна нейросенсорная клетка, тогда сенсилла может иметь двойную модальность или даже более. Например, механочувствительные и хемочувствительные нейросенсорные клетки могут располагаться внутри одной и той же сенсиллы. Отчасти по этой причине классификация и терминология, касающиеся сенсилл насекомых, очень сложны и запутаны. Тогда как обонятельные и вкусовые сенсиллы по очевидным причинам развили терминальные поры, многие механочувствительные сенсиллы пор не имеют (рис. 6.2 В). Механочувствительные волосковые сенсиллы иногда рас-
96 Часть II. Механочувствительность Рис. 6.3. (А) Рисунок показывает скопле- ние сенсилл в сочленении второй ноги таракана Periplaneta americana. Толстая кутикула эпимеральной пластинки (эп) утончается до соединительной мембра- ны, а затем снова утолщается, формируя кутикулярное окружение тазика (т) — первого сегмента ноги. Группа сенсилл образует волосковую пластинку. Из Pringle, 1938. Рис. 6.3. (Б) Распределение некоторых волосковых пластинок муравья-рабочего Formica polyctena. К — коксальное сочле- нение; Б — брюшко; Г — передняя часть груди; С — стебелек (соединение груди и брюшка); А — сочленение первого и вто- рого сегментов антенн; АГ — сочленение головы и антенны; Т — сочленение тазика и вертлуга (второго сегмента конечности). Из Markl and Tautz, 1975. тут прямо из кутикулы, но чаще они присоединены к экзоскелету гибкими со- членениями (рис. 6.2 В). Иногда они представляют собой длинные волоски различной кривизны, а иногда — как другая крайность — простое полушарие, и в этом случае называется колоколовидной сенсиллой. На рис. 6.2 В волосковая сенсилла показана с единственной нейросенсор- ной клеткой, чей дендрит присоединен к внутренней поверхности волоска ту- булярным тельцем. Электронная микроскопия показывает, что оно состоит из 50-100 плотно упакованных микротрубочек, которые чрезвычайно чувстви- тельны к искривлению, вызываемому движением сенсиллы. Легко показать, что порог искривления составляет всего 3—5 нм. Изгиб волоска сенсиллы в од- ну сторону приводит к деполяризации, а в другую — к гиперполяризации. Из- менения потенциала на мембране происходят за 100 мкс после включения ис- кривляющего стимула. Это наводит на мысль о том, что они являются следст- вие открывания или закрывания ионных каналов в мембране. Мы увидим в гл. 8, что волосковые клетки позвоночных имеют сходную биофизику. Исходя из этой аналогии, можно сделать вывод о том, что открывание и закрывание ионных воротных механизмов (вероятно, К+-каналов) активируется наряже- нием. Подвешивающие филаменты, которые присоединяют основание волос- ка сенсиллы к кутикуле, вместе с кутикулярной «оправой» и соединением ту- булярного тельца обеспечивают оптимальную плоскость движения сенсиллы. Чувствительность к направлению движения очевидно имеет большое значе- ние в определении того, куда движутся части тела, воздух или субстрат. На рис. 6.2 Г кончик сенсиллы пронизан порой. Сенсилла содержит по крайней мере две нейросенсорные клетки, лишь одна из которых является ме-
6. Кинестезия 97 Рис. 6.4. Колоколовидная сенсилла. Воло- сок редуцирован до небольшого купола, в котором помещается тубулярное тельце. А — аксон; PC — ресничный синус; КУ — кутикула; К — купол; ОД — дендритное ло- же; ФС — фиброзный слой; В — внутренние обкладочные клетки; ВС — внутренний сег- мент; НС — нейросенсорная клетка; ТТ — тубулярное тельце. ханочувствительной. Сенсилла, таким образом, является бимодальной. Другая сенсорная клетка может быть обонятельной или вкусовой. Дендрит механо- чувствительной нейросенсорной клетки, как и в предыдущем случае, присое- динен к внутренней поверхности волоска сенсиллы тубулярным тельцем. У другой нейросенсорной клетки развивается длинный (часто — ветвящийся) «дендрит», простирающийся на всю длину сенсиллы и оканчивающийся непо- средственно под ее порой. Такие «дендриты» представляют собой модифици- рованные реснички. Мы встретимся с хорошо изученными примерами хемо- чувствтительных ресничек при рассмотрении вкусовых (гл. 12) и обонятель- ных (гл. 13) клеток позвоночных. Механочувствительные волосковые сенсиллы (имеющие либо не имеющие поры) широко распространены по поверхности тела насекомого и особенно многочисленны на голове и вокруг нее. Они также хорошо представлены в со- членениях тела и конечностей. Здесь они часто образуют целые «заросли» (рис. 6.3 А). Рис. 6.3 Б показывает распределение механочувствительных сен- силл муравья-рабочего вида Formica polyctena. Из рисунка видно, что ЦНС му- равья получает поток информации о положении, движении и направлении движения различных частей тела. В следующем разделе мы увидим, что у по- звоночных, в особенности млекопитающих, не имеющих экзоскелета, разви- лась не менее эффективная система детектирования движения и положения их мышц и эндоскелета. У механочувствительных сенсилл второго типа— колоколовидных сен- силл — волосок редуцирован до полушария или купола, в основании имеюще- го круглую или эллиптическую форму (рис. 6.4). Дендрит, связаннный с тубу- лярным тельцем, обычно расположен центрально. Деформации экзоскелета уплощают поверхность сенсиллы и таким образом сжимают тубулярное тель- це. Смещение поверхности купола сенсиллы всего на 0,1 нм вниз достаточно, чтобы стимулировать нейросенсорную клетку. Эллиптические сенсиллы наи- более чувствительны к сжатию по короткой оси. Таким образом достигается 4 Биология сенсорных систем
98 Часть II. Механочувствительность Мезаксон Дистальный сегмент Трубка Глиальная клетка Соединительные клетки Трубка Мезаксон Дендрит Мезаксон Аксон Основание реснички Ресничный сегмент Дистальный сегмент Соединительные клетки Тело сенсорной клетки Рис. 6.5. Схема продольного сечения через сколопидий с поперечными срезами на раз- ных уровнях. Ш — клетка-шапочка. По Moulins, М., 1976, «Ultrastructure of chordotonal organs». In P. J. Mill, ed., Structure and Function of Proprioceptors in the Invertebrates, London: Chapman and Hall. Ресничный сегмент Дистальное базальное тельце Проксимальное базальное тельце Клетка обкладки сколопидия Основание ресничкО. Дендрит Обкладка сколопидия селективность по направлению. Колоколовидные сенсиллы часто обнаружи- ваются вблизи от суставов и сочленений или вблизи от тактильных волосков. Другие типы механочувствительных сенсилл развились в полости тела. Лучше всего изучены и наиболее широко распространены хордотональные ор- ганы. Они состоят из специализированных сенсилл — сколопидий (рис. 6.5). Сколопидий содержит одну или несколько нейросенсорных клеток, чьи денд- риты, как и у других механочувствительных клеток, образуют сенсорную рес- ничку. Тубулярное тельце в сколопидиях никогда не обнаруживается. Отличи- тельной чертой сколопидий является наличие клеток, окружающих ресничку и секретирующих плотный внутриклеточный листок — обкладку сколопидия. Обкладка состоит из бочковидной муфты, образованной фиброзными волок- нами. Сенсорное окончание сколопидия окружено клетками оболочки, а все
6. Кинестезия 99 они вместе присоединены к клетке-шапочке сколопидия. Последняя, в свою очередь, соединена, иногда через дополнительные клетки, с внутренними структурами, такими, как трахея, мышцы, кишка и т. д. Хордотональные органы образуют один из основных типов проприоцепто- ров тела насекомых. Они представлены практически во всех экзоскелетных сочленениях и между сегментами тела. Они варьируют по сложности — от не- скольких сколопидиев до нескольких тысяч, многие из них очень чувствитель- ны к вибрации. Хорошо известный пример такой функции — субгенуальный орган, расположенный в проторакальной конечности у многих видов насеко- мых. В нем в голени объединяются 20—50 сколопидиев, присоединенных к ку- тикуле. У таракана Periplaneta americana субгенуальный орган чувствителен к вибрациям в диапазоне 1000—5000 Гц с пороговой амплитудой от 1 до 10 нм. Восприятие вибрации важно не только как сигнала опасности, но и использу- ется социальными насекомыми как средство коммуникации. Это подводит нас к теме детектирования звука, однако, мы оставим ее главе 7, когда будем рассматривать рецепцию акустических сигналов у насекомых. 6.1.3. Поддержание равновесия в полете Любой, кто созерцал летное мастерство скромной домашней мухи, должен по- разиться ее способности сохранять ориентацию и чувство направления. Полет насекомых контролируется рефлекторно и может быть инициирован потерей контакта механорецепторов лапки с поверхностью субстрата. Контроль поле- та поддерживается благодаря стимуляции подушечек механочувствительных сенсилл у оснований крыльев. Отклонения от правильной ориентации могут быть описаны как вращения вокруг трех пространственных осей: кабрирова- ние — передне-заднее вращение вокруг горизонтальной оси, перпендикуляр- ной длинной оси тела; рысканье — вращение длинной оси тела вокруг верти- кальной оси; закрутка — вращение вокруг длинной оси (рис. 6.6). Ориентация поддерживается частично за счет зрительной информации, поступающей от глаз, частично — за счет информации от чувствительных ор- ганов, расположенных у сочленения головы и груди, а у двукрылых насеко- мых — частично, и от жужжалец. Крупные стрекозы, относящиеся к самым искусным летунам в мире насекомых, охотятся на других насекомых в полете. У них имеется по три подушечки волосковых сенсилл с каждой стороны сочле- Рис. 6.6. Кабрирование, рысканье и за- крутка. Закрутка происходит, когда тело вращается вокруг своей длинной оси (осьх); рысканье — при вращении во- круг оси у; кабрирование — при враще- нии вокруг оси z.
100 Часть II. Механочувствительность Вентральная поверхность Дорзальная поверхность Рис. 6.7. Дорзальная и вентральная по- верхности жужжалец двукрылых. Ориен- тация различных групп колоколовид- ных сенсилл пока- зана двунаправлен- ными стрелками. По Pringle, 1948. нения головы и груди, способные детектировать угловые ускорения. В полете голова поддерживает свое положение благодаря зрительной информации от глаз. Если положение тела нарушается, волосковые подушечки сигнализиру- ют об этом. Две пары крыльев срабатывают рефлекторно таким образом, что- бы восстановить соосность головы и тела. Такой же механизм действует и у большинства других летающих насекомых. У двукрылых задняя пара крыль- ев модифицируется в гантелевидные жужжальца с многочисленными колоко- ловидными сенсиллами у их оснований (рис. 6.7). Жужжальца колеблются на 180е с частотой от 100 до более чем 500 Гц, синхронно с биениями крыльев. Колоколовидные сенсиллы ощущают различающиеся силы на сочленении жужжалец с грудью при кабрировании, рысканьи и закрутке. Удаление жуж- жалец нарушает рефлекторный компенсаторный контроль мышц крыльев при возникновении таких вращений. 6.2. Кинестезические механизмы у млекопитающих В отсутствие жесткого экзоскелета кинестезические механизмы у млекопита- ющих (включая и нас с вами) по необходимости ограничены чувствительны- ми окончаниями в мышцах, сухожилиях и суставах. Все они работают на обеспечение ЦНС непрерывно обновляющейся картиной состояния напря- жения или расслабления мускулатуры тела и положения суставов. В данном разделе мы последовательно рассмотрим все эти чувствительные окончания, начиная с веретен, далее — сухожильные органы и, наконец, механорецепторы суставов.
6. Кинестезия 101 6.2.1. Интрафузальные окончания веретен Скелетные (произвольные) мышцы состоят из многих тысяч многоядерных поперечно-нило^атых волокон. У человека каждое мышечное волокно иннер- вируется одним мотонейроном. Отростки мотонейрона, однако, при вхожде- нии в мышцу ветвятся и, поэтому, иннервируют множество мышечных воло- кон. Это явление называется мультитерминальной иннервацией, а группа мы- шечных волокон и иннервирующий их мотонейрон определяются как моторная единица — минимальная функциональная единица мышечной системы. Число мышечных волокон, составляющих моторную единицу варьирует от мышцы к мышце. Там, где требуется тонкий контроль движений, например, в пальцах или мышцах глаз, моторные единицы малы, как правило не более 5—20 воло- кон; там, где тонкий контроль не требуется — в мышцах спины и бедра, мотор- ные единицы намного крупнее и состоят из более чем тысячи волокон. Мышечные волокна млекопитающих делятся на два основных типа; экс- трафузальные волокна, которые и выполняют всю работу сокращения мышцы, и интрафузальные — специализированные для детектирования натяжения. И те, и другие развиваются в эмбриогенезе в целом одинаково, однако, тогда как экстрафузальные волокна приобретают полный комплект сократительных белков — актина, миозина и др., в интрафузальных волокнах контрактильная машинерия развивается только в окончаниях волокон. В то же время интрафу- зальные волокна получают спиральные окончания чувствительных нервных волокон групп 1а и II, образуя рецептор натяжения — мышечное веретено. Фак- тически существует три типа интрафузальных волокон: два типа волокон с ядерной сумкой и один тип волокон с ядерной цепочкой. Обычно два волокна с ядерной сумкой и большое количество волокон с ядерной цепочкой, объеди- ненные окружающей их рыхлой соединительнотканной капсулой, образуют окончание веретена (рис. 6.8). Волокна с ядерной цепочкой — более короткие и тонкие и, как и показы- вает их название, содержат длинный ряд ядер. Эти волокна отвечают на посто- янное натяжение. Волокна с ядерной сумкой, напротив, толще и длиннее и со- держат группу ядер, собранных в центре («сумкой»). Один из типов волокон с ядерной сумкой (динамический) отвечает на включение или выключение рас- тягивающей силы, другой (статический) — так же, как волокна с ядерной це- почкой, на постоянное растяжение. Веретено иннервируется четырьмя типа- ми нервных волокон (рис. 6.8), которые все входят в капсулу в ее несколько расширенной средней части. Два из этих типов волокон — чувствительные, два — двигательные; чувствительные волокна — аксоны группы 1а (большого диаметра) и аксоны группы II (малого диаметра). Волокна группы 1а обычно дают спиральные окончания вокруг всех интрафузальных волокон. Аксоны группы II оканчиваются только на волокнах с ядерной цепочкой и статических волокнах с ядерной сумкой. Все двигательные волокна имеют малый диаметр и, соответственно, медленное проведение — это у-волокна, однако, как видно из рис. 6.8 Б, они могут быть подразделены на две группы, в зависимости отто- го, какие интрафузальные волокна они иннервируют — динамические или статические. В обоих случаях эти волокна идут к оконечностям интрафузаль- ных волокон, где присутствует сократительная машинерия, и здесь оканчива- ются нервно-мышечным контактом.
102 Часть II. Механочувствительность Рис. 6.8. Мышечное веретено млекопитающих. (А) группа из трех интрафузальных воло- кон. In vivo веретено окружено экстрафузальными волокнами. Оконечности интрафу- зальных волокон содержат актомиозиновую сократительную машинерию и, следова- тельно имеют поперечно-полосатую структуру. Центральный участок интрафузального волокна несколько расширен и окружен соединительнотканной капсулой. Он иннерви- руется двумя типами у-двигательных волокон. Эти волокна входят в капсулу и направля- ются к оконечностям интрафузальных волокон, где образуют с ними соединение. М — у-двигательное волокно; К — капсула; С — 1а и II чувствительные волокна; ИФ — интра- фузальные волокна; НМС — нервно-мышечное соединение. (Б) Схематический рису- нок показывает пять типов интрафузальных волокон, обнаруженных в мышечном вере- тене млекопитающих. ДВС — динамическое волокно с ядерной сумкой; ДуДВ — дина- мическое у-двигательное волокно; ВЦ — волокно с ядерной цепочкой; ПО — первичное окончание; СВС — статическое волокно с ядерной сумкой; СО — статическое оконча- ние; СуДВ — статическое у-двигательное волокно. Прочие объяснения в тексте. По Kandel, Schwartz and Jessell, 1991. Спиральные окончания чувствительных волокон расположены очень близко от интрафузальных волокон, так что если последние подвергаются воз- действию натяжения, оно передается и на чувствительные нервные оконча- ния. Это, как и в других случаях, рассмотренных в данной главе, является адекватным стимулом и через открывание ионных каналов приводит к форми- рованию генераторного потенциала, что в свою очередь приводит к инициа- ции потенциала действия в чувствительном волокне. Чувствительные волокна группы 1а обладают быстрым проведением (ок. 120 м/с), группы II — тоже сравнительно быстрым (ок. 75 м/с) (см. раздел 2.6, табл. 2.2). Сигнал передает- ся в спинной мозг через дорзальные корешки (рис. 6.9). Тогда как интрафузальные волокна иннервируются волокнами у-мотоней- ронов, окружающие их экстрафузальные волокна иннервируются аксонами большого диаметра (с быстрым проведением) а-мотонейронов. Эти две группы мотонейронов, очевидно, достаточно существенно различны и обозначаются как фузимоторные и скелетомоторные системы, соответственно. К сожалению, как это часто случается в биологии, ситуация здесь до конца не ясна. Показа- но, что и некоторые а-мотонейроны посылают веточки аксонов в веретено,
6. Кинестезия 103 Б Чувствительное волокно группы 1а Рис. 6.9. (А) Коактивация. Рисунок показывает поперечный срез спинного мозга и упро- щенную схему контактов нервных волокон с интра- и экстрафузальными волокнами скелетной мышцы. Н — нисходящее волокно из высших отделов ЦНС в белое вещество спинного мозга; ЭВ — экстрафузальные волокна; ИВ — интрафузальные волокна. (Б) Торможение антагонистической мышцы (мышц). Тормозные волокна обозначены черным цветом. Дальнейшие объяснения — в тексте. у-мотонейрон, посылающий аксон к антагонистической мышце а-мотонейрон, посылающий аксон к антагонистической мышце где они иннервируют интрафузальные волокна. Принято считать, что эти во- локна образуют скелетофузимоторную систему, они присутствуют, вероятно, во всех веретенах млекопитающих. Следует отметить, что и у анамниотических позвоночных четкое различие между фузимоторной и скелетомоторной систе- мами отсутствует. И как же все это работает? Веретена, как мы уже видели, расположены па- раллельно экстрафузальным волокнам. Когда сигнал из высших отделов ЦНС на движение мышц передается в спинной мозг, активируются и а- и у-мото- нейроны (рис. 6.9 А). Это явление, по понятным причинам, назыгт.зтся коакти- вацией. а-мотонейроны проводят потенциалы действия с очень большой ско- ростью (до 120 м/с), и последние, следовательно, достигают экстрафузальных мышечных волокон задолго до того, как намного более медленными аксонами у-мотонейронов активируются интрафузальные волокна. Мышца сокращает- ся и устраняет, таким образом, какое-либо растяжение интрафузальных воло- кон. Вследствие этого активность в чувствительных нервных волокнах прекра- щается. Однако затем в мышцу приходит активность у-мотонейронов, и сокра- щение возникает и в интрафузальных волокнах. Если импульсация в у-волок- нах требует большего сокращения интрафузальных волокон, чем достигнуто окружающими экстрафузальными, тогда интрафузальные волокна в попытке (безуспешной) сократиться еще больше испытают напряжение. Это напряже- ние воспринимается спиральными окончаниями чувствительных нейронов, которые отразят это в информации, передаваемой ими обратно в ЦНС.
104 Часть II. Механочувствительность К чему это приводит? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмот- реть рефлекторные связи, контролирующие мышечное сокращение. Это до- статочно сложная система, но для нашей конкретной цели мы можем рассмо- треть только один из ее элементов (рис. 6.9 А). Тела а- и у-мотонейронов рас- положены в передних (= вентральных) рогах серого вещества спинного мозга. Как показывает рис. 6.9 А, чувствительные волокна группы 1а от мышечных веретен образуют возбуждающие синапсы с а-мотонейронами. Схема, конеч- но, по необходимости упрощена. Волокна 1а возбуждают не только а-мото- нейроны, иннервирующие гомонимную мышцу (т. е. ту же самую, от которой получены афференты), но и синергические мышцы. Это те мышцы, которые двигают сустав сходным образом с тем, которым это делает гомонимная. Кро- ме того, как показано на рис. 6.9 Б, веточка волокна 1а направляется и к тор- мозному интернейрону в сером веществе спинного мозга. Тормозные синапсы этого интернейрона располагаются на телах мотонейронов, иннервирующих антагонистические мышцы, т. е. предупреждается сокращение этих мышц од- новременно с мышцами-синергистами. Конечно, этот механизм может быть подавлен командами из высших отделов ЦНС, так что мы в состоянии, как все мы знаем, поддерживать баланс сокращения различных мышц. Рассмотренные выше рефлекторные дуги обеспечивают быстрое снятие напряжения интрафузальных волокон за счет большего сокращения экстра- фузальных. В сущности, ЦНС только предопределяет длину интрафузальных волокон, а сервомеханизмы спинного мозга обеспечивают поддержание этой длины за счет сокращения экстрафузальных волокон, и таким образом сустав перемещается в требуемое положение. Однако, почему так сложно организовано мышечное веретено? Почему оно дифференцировано на волокна с ядерной сумкой и с ядерной цепочкой и т. д.? Ответ на эти вопросы заключается в различных физиологических свой- ствах этих волокон. Мы отмечали выше, что, тогда как волокна с ядерной це- почкой отвечают на постоянное натяжение, один из типов волокон с ядерной сумкой (динамические волокна) лучше всего реагируют на включение или вы- ключение натяжения. Активность в двух этих системах чувствительных воло- кон, иннервирующих мышечные веретена, таким образом, различается. Во- локна 1а передают сигналы включения и выключения натяжения, а волокна II — сигнал длящегося натяжения (рис. 6.10). Кроме того, волокна 1а наиболее чувствительны к малым изменениями длины веретена (менее 1 мм) и, что важ- но, к скорости этих изменений. Таким образом, импульсация в чувствительных волокнах 1а и II кодирует не только постоянное натяжение (группа II), но и скорость сокращения (группа 1а). Можно продемонстрировать, что существует отдельный механизм контроля со стороны у-мотонейронов динамических волокон с ядерной сумкой и стати- ческих — с сумкой и с цепочкой. Одна группа у-мотонейронов контролирует статические волокна, а другая — динамические. Эта дифференцированная ин- нервация связана с различиями структуры и физиологии двух типов интрафу- зальных волокон. В случае динамических волокон их центральный участок специализирован для реакции на быстрое включение или устранение натяже- ния. Активация динамических у-мотонейронов увеличивает чувствительность центрального участка. С другой стороны, статические волокна отвечают по
6. Кинестезия 105 Стимул Первичное Плавное растяжение Рывок Вибрация 11111111111 IIIIHIII III Hill Hill III Вторичное llllllllllllllllll lllll III Ulllllllllll Разгрузка Рис. 6.10. Ответы первичных и вторичных окончаний мышечных веретен (см. рис. 6.8). (А) Импульсации в волокнах 1а от первичных окончаний в мышечном веретене, сигнализирующая о включении натяжения залпом активности, а о вы- ключении — периодом «молчания». Волокна II от вторичных окончаний сигнали- зируют о постоянном натяжении. (Б) Первичные окончания отвечают на различ- ные скорости натяжения. Рисунок показывает, что волокна 1а отвечают тем более интенсивно, чем быстрее происходит натяжение. Дальнейшие пояснения — в тек- сте. Из Kandel, Schwartz and Jessel, 1991. всей длине более равномерно на силы натяжения. Активация статических у-мо- тонейронов вызывает сокращение способных к этому оконечностей волокон веретена, как описано выше, сжимая таким образом и центральный участок. Тонкий контроль мышечного сокращения, очевидно, представляет огром- ное значение для всех животных, в особенности для таких активных животных, как млекопитающие. Поэтому ничего удивительного нет в том, что в этом про- цессе на сложную систему вертикальных и обратных связей, описанных в пре- дыдущих абзацах, накладывается еще один, высший уровень контроля, называ- емый фузимоторный комплекс. Когда млекопитающее, например кошка, нахо- дится в покое, в статических или динамических у-мотонейронах импульсация невелика или отсутствует вовсе. Когда животное поднимается, потягивается и уходит на мягких лапах, уровень активности в статических у-мотонейронах не- высок. Очень мала или полностью отсутствует и активность в динамической у- системе. По мере того, как активность возрастает и животное предпринимает более сложные маневры, активность в статической системе снижается, а в ди- намической — проявляется и становится все возрастающей. Центральная нерв- ная система таким образом способна контролировать чувствительность своего контроля так, чтобы соответствовать обстоятельствам, в которых оказывается ее обладатель.
106 Часть II. Механочувствительность 6.2.2. Сухожильные органы Гольджи Сухожильные органы Гольджи функционируют совместно с мышечными ве- ретенами, чтобы сигнализировать о состоянии сокращения или напряжения скелетных мышц. В то время как веретена контролируют изменения длины мышц, сухожильные органы сигнализируют об уровне их натяжения. Тогда как мышечные веретена работают «параллельно» с экстрафузальными мышеч- ными волокнами, сухожильные органы действуют «последовательно». Это от- ражается в том факте, что сухожильные органы часто анатомически связаны с веретенами. В некоторых мышцах лапы кошки (камбаловидная мышца, ме- диальная икроножная и др.) 25% сухожильных органов ассоциированы в «ди- ады» с веретенами, а в мышцах челюсти — практически все. Хотя название и подразумевает, что эти органы располагаются в сухожили- ях и(или) апоневрозах, это не совсем так. Однако, огромное большинство су- хожильных органов локализовано в соединениях сухожилий (или апоневро- зов) с мышцами. Долгое время считалось несущественным: что именно по- рождает возбуждение в сухожильном органе — активное сокращение «своей» мышцы или пассивное растяжение. В последнее время, однако, показано, что пассивное натяжение не является слишком эффективным путем стимуляции - адекватным стимулом является мышечное сокращение. Связь сухожильных органов с моторными единицами часто очень прецизионна — индивидуаль- Рис. 6.11. Схематическое изображение сухожильного органа. Капсула на рисунке показана рассеченной. Рису- нок показывает, что мышеч- ные волокна, соединенные с сухожильным органом «по- следовательно», окружены множеством мышечных во- локон, соединенных «парал- лельно» с тем же сухожилием или апоневрозом. Из Jami, 1992, Physiological Reviews, 72, 623-666. Воспроизводится с разрешения Американского Физиологического Общест- ва (American Physiological So- ciety).
6. Кинестезия 107 Рис. 6.12. Соотношение между ре- цепторным потенциалом (Ar) и натяжением (Ат) при приложе- нии растягивающей силы синусо- идальной формы (частота 10 Гц, амплитуда 10 мм) в зависимости от исходного состояния растяже- ния (Tj). Исходное растяжение ва- рьирует от нуля (расслабление) до 400 мкН. Do — амплитуда растя- жения; f — частота. Из Wilkinson and Fukami, 1983, Journal of Neuro- physiology, 49, 984. Воспроизво- дится с разрешения Американ- ского Физиологического Общест- ва (American Physiological Society). ный сухожильный орган может контролировать активность единственной мо- торной единицы. Чувствительные окончания сухожильного органа помещены в слоистой капсуле, которая является продолжением периневральной оболочки быстро- проводящих аксонов группы 1b (рис. 6.11). Капсулы сильно варьируют по дли- не (242—1045 мкм, средняя — 521 мкм) и диаметру (66—220 мкм, средний — 125 мкм). Изнутри капсула подразделяется на множество компартментов, за- полненных перепутанными коллагеновыми волокнами. Входящие в капсулу волокна 1b многократно ветвятся, утрачивают миелиновую оболочку и, впле- таясь в коллагеновые волокна, образуют на них окончания. Эти окончания за- полнены митохондриями и плотно охватывают коллагеновые волокна. Когда мышечное волокно сокращается, возникающее изменение положе- ния присоедиенных к нему коллагеновых волокон деформирует чувствитель- ные окончания, вызывая изменения проводимости на их мембранах. Формиру- ющийся генераторный потенциал электротонически распространяется по окончанию вплоть до места инициации потенциала действия. В опытах на дор- золатеральной мышце хвоста кошки показано, что, когда коллагеновые волок- на повергаются воздействию постоянной растягивающей силы, генераторный потенциал зависит от последней прямо пропорционально. В более динамич- ных условиях действия очень малой изменяющейся силы натяжения (0,5—5 мкм) рост генераторного потенциала постоянен (около 10 мкВ/мкм рас- тяжения при 10 Гц). Показано также, что амплитуда рецепторного потенциала зависит от исходного состояния растяжения (рис. 6.12). Наконец, изменения потенциала зависят и от частоты стимуляции — чем выше частота (в пределах 20 Гц), тем больше рост потенциала. Когда к мышце прикладывается большая сила или более высокая частота, возникает нелинейная зависимость потенциа- ла от стимула, a in vivo, как отмечалось выше, ситуация еще более сложна. Точное место, где инициируется потенциал действия, остается неизвест- ным — возможно в первом перехвате Ранвье, но существуют и другие возмож- ности. В опытах с переменными стимулами частота импульсов в чувствитель-
108 Часть II. Механочувствительность Рис. 6.13. «Блок-схема» отрица- тельных обратных связей кон- троля сухожильного органа Гольджи. Сравните с блок-схе- мой контроля мышечного вере- тена на рис. 6.9. Отметьте, что в рефлексе сухожильного орга- на отсутствует моносинаптичес- кий путь и что вся система рабо- тает с противоположным зна- ком по отношению к рефлексам веретен. Ag — мышца-синер- гист; Ап -мышца-антагонист. Дальнейшие объяснения — в тексте. ных волокнах 1b связана скорее с частотой стимула, а не его амплитудой. ЦНС, однако, нуждается и в информации об амплитуде силы, растягивающей сухо- жилие. Складывается впечатление, что такую информацию предоставляет сум- марный разряд от всех сухожильных органов. Но и это доподлинно экспери- ментально не установлено. Возможно, та информация, которая передается в ЦНС, не столько характеризует уровень силы натяжения в каждый данный мо- мент, сколько динамику развития этой силы. Такая информация сама по себе усложнена нелинейным характером реакций мышц и их оболочек, также как и свойств сухожилий. Как мы увидим в других случаях, работа сенсорных систем трудно поддается простому механистическому анализу. ЦНС обрабатывает и формирует ощущения из колоссального потока афферентных импульсов. Ве- роятно, общая картина этого потока важнее, чем отдельные его элементы. Потенциалы действия в чувствительных нервных волокнах 1b поступают в спинной мозг и (по большей части) образуют синапсы с тормозными интер- нейронами, которые, в своб очередь, образуют синапсы на гомонимных мото- k нейронах (рис. 6.13). Тормозные интернейроны также ингибируют мотонейро- ны синергических мышц (на рис. 6.13 не показаны). Наконец, чувствительные волокна 1b образуют синапсы на возбуждающих интернейронах, связанных с мотонейронами мышц-антагонистов. Какой же вывод можно сделать по поводу этой сложной системы? Хотя де- тали ее все еще исследуются, и мы далеки от понимания всей сложности сис- темы, основные моменты, тем не менее, ясны. Сухожильные органы не ак- тивны, пока мышцы остаются в покое. Когда начинается сокращение, возни- кает импульсация, которая сигнализирует об изменениях нарастания силы сокращения. Импульсы в чувствительных волокнах 1b подавляют активность гомонимных мотонейронов и ограничивает вовлечение новых моторных еди- ниц. Также ограничивается активность мотонейронов синергических мышц и
6. Кинестезия 109 возбуждается активность мотонейронов мышц-антагонистов. Таким образом обеспечивается плавность сокращения и его максимальная адекватность по- ставленной задаче. Функционируя вместе с системой мышечных веретен, этот механизм, например, обеспечивает точное соответствие усилия массе объекта, когда мы его поднимаем. Когда мы прикасаемся к поверхности или ощупываем ткань, этот же механизм обеспечивает такую тонкость наших дви- жений, чтобы тактильные рецепторы кожи (гл. 7) были в состоянии получить информацию о гладкости, текстуре и толщине ткани. 6.2.3. Рецепторы суставов В большинстве суставов присутствует три типа чувствительных окончаний: окончания типа телец Руфини (см. гл. 7), расположенные в суставной сумке; окончания типа телец Гольджи, представленные в связках суставов; и оконча- ния типа пачиниевых телец (см. гл. 7), обнаруживающиеся вблизи от места со- единения связки с надкостницей. Когда сустав находится в среднем положе- нии, активность в афферентных волокнах, идущих от этих рецепторов, неве- лика. Когда, однако, сустав сгибается или разгибается до крайнего положения, импульсация резко увеличивается. Изучение одиночных телец Руфини показывает, что большинство из них медленно адаптируется, и каждое имеет собственный «угол возбуждения» — дугу углового движения сустава в несколько градусов, где возбуждение макси- мально. У разных рецепторных единиц угол возбуждения различается. Им- пульсация от каждой из единиц связана со скоростью углового перемещения и возрастает по мере приближения к границе угла возбуждения. Тогда как лишь немногие единицы контролируют движение сустава в обе стороны от среднего положения, большинство реагирует на движение к крайнему положению. Это соответствует наблюдению, сделанному в предыдущем абзаце, что импульса- ция в афферентных нервных волокнах возрастает до максимума по мере при- ближения сустава к его крайнему положению. Ситуация усложняется тем, что вращение таких суставов, как наиболее изученные коленный и локтевой, вокруг их длинной оси также влияет на им- пульсацию от телец Руфини. То есть там, где такие движения встречаются, им- пульсация от этих окончаний не может давать недвусмысленной информации в ЦНС о положении сустава или скорости его движения. Другие типы чувстви- тельных окончаний, расположенные вокруг суставов, тельца Гольджи и Пачи- ни, скорее сигнализируют о натяжении активированных мышц, а не о положе- нии сустава. Тем не менее, расположение этих чувствительных окончаний в суставной сумке и вокруг нее обеспечивает максимальную активность при движении сустава к крайним положениям, или когда его вращение выходит за пределы нормы. 6.3. Заключение Нам достаточно лишь бросить взгляд на неуклюжие творения роботехников, чтобы оценить гибкость и тонкость «шестого чувства» животных. Роботехни- ка, конечно, колоссально продвинулась со времен первоначальных примитив-
110 Часть II. Механочувствительность ных устройств. Гидравлические автоматы Сен-Жермен-э-Лэ, которые так впечатлили Рене Декарта в начале XVII столетия, или механические протезы, изобретенные французским военным хирургом Амбруазом Паре в конце XVI века, и даже механический флейтист Вокансона в XVIII веке смотрятся грубовато по сравнению с устройствами, разработанными современной про- мышленностью и военными. Однако, даже эти современные изделия, способ- ные, как Марс Ровер (марсоход), передвигаться по пересеченной местности и брать образцы грунта, или как многосуставные универсальные руки автомати- зированных сварочных аппаратов современных автозаводов, проникать внутрь машины и проводить точечную сварку швов в труднодоступных и за- темненных местах, выглядят бледно по сравнению со своими биологически- ми конкурентами. Отчасти это следствие жесткости конструкции роботов и недостаточной доныне миниатюризации. Однако, главным образом, дело в огромном проигрыше роботов по сравнению с животными в численности сен- соров, которые мы рассматривали в данной главе. Сенсорная информация, поступающая в ЦНС из множества мест, обеспечивает гибкость и адаптив- ность двигательных реакций произвольной мускулатуры. За время эволюции этот сенсорный поток, это шестое чувство, достигло такого совершенства, ко- торое обеспечивает плавность и чувствительность реакций, которые воспри- нимаются как часть того дара жизни, который мы получили. Как мы видели в данной главе, эта чувствительность зависит от интеграции бесчисленного ко- личества петель прямой и обратной связи. Исследователи еще не раскрыли всей сложности этих механизмов, которые, напомним, простираются до моле- кулярного уровня. Это, кстати, тоже создает контраст с роботами, которые со- браны на основе аморфных веществ — металлов, керамики и кремния. Прямые и обратные связи шестого чувства животных пронизывают цент- ральную нервную систему — и спинной мозг (как мы видели в данной главе при обсуждении спинальных рефлексов) и высшие отделы мозга — ствол, мост, мозжечок и двигательную кору. В этой книге мы не будем рассматривать эти вопросы. Заинтересованный студент может узнать об этом в книгах по нейрофизиологии, приведенных в списке библиографии. Нам же достаточно сказать, что сенсорная информация от мышц, суставов и сухожилий (в случае млекопитающих) интегрируется с информацией из вестибулярной системы, глаз и от других органов чувств таким образом, что мозг оказывается в состоя- нии выдать мышечной системе команды, соответствующие потребностям жи- вотного в постоянно меняющемся окружении. Еще много лет пройдет, если это вообще когда-нибудь произойдет, пока роботехника сможет конкуриро- вать с живым.
7. ОСЯЗАНИЕ Осязательная чувствительность у С. elegans: мутация тес — нейроны ося- зательных рецепторов — генетический анализ — белки МЕС — сходство с белками ENaC — другие гены тес и их белковые продукты — возмож- ная молекулярная структура тактильного рецептора С. elegans. Осязатель- ная чувствительность у насекомых: субгенуальные органы — детектирова- ние колебаний воды водомерками и гребляками — акустические сенсил- лы — ости Drosophila — джонстонов орган — чувствительность к частоте биения крыльев — тимпанальные органы (уши): структура и функция — коммуникация — детектирование жертвы — детектирование насекомо- ядных бабочками — структура уха совок — контрмеры совок против лету- чих мышей. Осязательная чувствительность кожи млекопитающих: быстро адаптирующиеся рецепторы: пачиниевы тельца, мейснеровы тельца, тер- минальная колба Краузе, рецепторы волосяных фолликулов; медленно адаптирующиеся рецепторы: клетки Меркеля, органы Руфини, С-меха- норецепторы. Центральные пути у млекопитающих: тракты спинного моз- га — сомэстезическая кора — колончатая структура — рецептивные по- ля — сомэстезический гомункулус. Пластичность коры: мышиные усы — пальцы обезьян — скрипачи — читатели по Брайлю. Заключение: универ- сальное чувство — груминг у социальных животных — коммуникация Осязание, как мы отмечали во Введении к Части II, чувство незаменимое. Трудно себе представить, на что бы это было похоже — животные без этой мо- дальности, каким бы выглядел мир без этого чувства. Наши собственные пред- ставления о твердости, сопротивлении, объективности предметов вряд ли сло- жились бы без этого вездесущего чувства. По сравнению с нашими глубокими знаниями молекулярной биологии обонятельных и зрительных рецепторов, понимание точных механизмов функционирования наших тактильных рецеп- торов разрозненно и неудовлетворительно. Это положение, однако, начинает медленно меняться благодаря работам на маленьком почвенном круглом чер- ве Caenorhabditis elegans. 7.1. Механорецепция у Caenorhabditis elegans Мы отмечали в гл. 4, что С. elegans интенсивно изучается молекулярными био- логами. В сущности, когда генетики поняли, что основные закономерности биологии прокариот установлены в работах на Е. coli, а биологии эукариот — на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, следующей и последней заманчивой це-
112 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.1. Caenorhabditis elegans. Длина червя около 1 мм. С. elegans состоит из 959 соматических кле- ток, 302 из которых образуют нерв- ную систему. Тело прозрачно, и многие клетки могут быть различе- ны на живом животном. Перепе- чатка из J. G. White, 1985, «Neuro- nal connectivity in Caenorhabditis elegans», Trends in Neurosciences, 8, 277, с разрешения издательства El- sevier Science. лью стали многоклеточные животные. Генетики стали искать животное, кото- рое легко культивировать, с быстрым развитием, т. е. такое, на котором мож- но адаптировать и применить мощные методики, используемые в микробио- логической генетике. Избранный ими организм — маленькая (около 0,5 мм в длину) свободно живущая нематода Caenorhabditis elegans (рис. 7.1). За более чем 40 лет интенсивных исследований раскрыты секреты ее генетики, физио- логии, анатомии и поведения. Известно точное количество нервных клеток в ее нервной системе (302), синаптическая структура нервной системы, а каж- дый из ее нейронов полностью изучен электронно-микроскопически; геном полностью изучен в 1998 году. Как и все животные, С. elegans чувствительна к прикосновению. Применя- ли два типа тактильных стимулов — осторожное прикосновение волоском рес- ницы и более интенсивное воздействие тонкой проволочкой. Наиболее инте- ресные результаты получены в исследованиях реакции на мягкую стимуля- цию. Помещенная в чашку Петри С. elegans двигается, синусоидально изгибая тело, до тех пор, пока не получит тактильного стимула. Если слегка прикос- нуться к передней части тела, направление движения меняется на противопо- ложное, и червь извивается обратно по чашке; если прикоснуться к задней ча- сти, червь продолжит движение вперед. Большое количество мутаций (более 440), затрагивающих 15 генов, влияет на эти реакции. То, что червь при этом сохраняет способность двигаться вообще, подтверждается уколом проволо- кой. Большинство из этих мутаций классифицируется как лиес-мутации, по-
7. Осязание 113 Переднее поле Заднее поле Рис. 7.2. Осязательные рецепторные нейроны С. elegans. Отметьте существование двух полей осязательной чувствительности, определяемых расположением соот- ветствующих нейронов в организме нематоды. ПЛМЛ — левая передняя латераль- ная микротубулярная клетка; ПЛМП — правая передняя латеральная микротубу- лярная клетка; ЗЛМЛ — левая задняя латеральная микротубулярная клетка; ЗЛМП — правая задняя латеральная микротубулярная клетка; ПВМ — передняя вентральная микротубулярная клетка; ЗВМ — задняя вентральная микротубуляр- ная клетка. Из Tavermarakis and Driscoll, 1997, Annual Review of Physiology, 59, 662. Воспроизводится с разрешения Annual Review of Physiology, volume 59, © 1997 Annual Reviews www.annualreviews.org. скольку возникающие фенотипы описываются как аномальные по механочув- ствительности (mechanosensitive abnormal). Соответственно, и гены, в которых наблюдаются эти мутации, обозначаются тес, а белки, которые они кодиру- ют — МЕС. Показано, что прикосновение детектируется шестью нейронами: двумя пе- редними латеральными микротубулярными клетками (левой и правой) — ПЛМЛ и ПЛМП; двумя задними латеральными микротубулярными клетками (левой и правой) — ЗЛМЛ и ЗЛМП; одной передней вентральной микротубу- лярной клеткой — ПВМ. Еще один нейрон, вероятно, также вовлечен в про- цесс, хотя, в отличие от остальных, он и не способен детектировать устранение прикосновения, это — задняя вентральная микротубулярная клетка — ЗВМ. Анатомическое положение этих нейронов-детекторов прикосновения показа- но на рис. 7.2. Осязательные рецепторные нейроны, как показывают их наименования, характеризуются наличием в них пучка очень крупных микротрубочек. Элек- тронно-микроскопическое исследование показало, что отдельные микротру- бочки, входящие в пучок, связаны между собой и имеют ту особенность, что состоят из 15 протофиламентов (в отличие И протофиламентов в остальных микротрубочках С. elegans и 13 протофиламентов в остальном животном цар- стве). Эти необычно крупные и ультраструктурно необычные микротрубочки намного короче самого нейрона (не более 5% его длины) и ориентированы под углом к его длинной оси. Дистальные концы микротрубочек, вероятно, погру- жены в плазматическую мембрану нейрона, что предполагают какую-то меха- ническую связь с ней. Микротрубочки существенны для функционирования нейрона — если микротрубочки разрушаются колхицином либо повреждают- ся вследствие мутации, осязательная чувствительность утрачивается. Нейроны осязательной рецепции расположены под кутикулой («кожей») червя, к которой они присоединяются внеклеточной «мантией» фиброзного материала (рис. 7.3). Ультраструктурные исследования позволяют предполо-
114 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.3. Ультраструктура нейрона осязательной ре- цепции С. elegans (попе- речное сечение). Нейрон окружен соединительнот- канной мантией и соеди- нен с кутикулой «фиброз- ным органоидом». Ней- рон содержит пучок мик- ротрубочек (каждая из ко- торых состоит из 15 про- тофиламентов (пф)). По Tavermarakis and Driscoll, 1997. жить наличие механической непрерывности между кутикулой и микротрубоч- ками отростках нейронов осязательной рецепции. Стоит напомнить, что тубу- лярное тельце механочувствительного волоска насекомых тоже состоит из плотно упакованных микротрубочек, соединяющих нейросенсорную клетку с кутикулой (гл. 6, раздел 6.1.2). Генетический анализ проводился путем вызывания мутаций и исследова- ния их влияния на способность червя реагировать на осторожное прикоснове- ние. Когда такая утрата обнаруживается, молекулярно-биологическая техника привлекается для выяснения того, какая структура определяется мутировав- шим геном. В некоторых случаях удалось обнаружить гены, ответственные за факторы, необходимые для развития самих осязательных клеток или контро- лирующие действие других mec-генов. Еще в нескольких интересных случаях открыты гены, кодирующие канальные белки и дополнительные элементы, соединяющие каналы с кутикулой, с одной стороны, и нейрональные микро- трубочки — с другой. Мес А и тес-10 — два гена, определяющие канальные белки — МЕС-4 и МЕС-10. Эти гены называются также «дегенеринами», поскольку мутации в них, обусловливающие формирование дефектных МЕС-4 и МЕС-10, ведут клетки, в которых они экспрессируются, к разбуханию и гибели. И МЕС-4, и МЕС-10 принадлежат к суперсемейству белков, состоящих из трех субъединиц белка Na+-канала эпителия млекопитающих (ENaC). Субъединица включает два трансмембранных сегмента, и С-, и N-концы локализованы внутрикле- точно, имеется большая внеклеточная петля (рис. 7.4). Хотя точная структура МЕС-канала пока не определена, по аналогии с другими каналами, особенно эпителиальными натриевыми каналами млекопитающих, предполагается что это объединение шести субъединиц, возможно — смеси МЕС-4 и МЕС-10. Имеются некоторые свидетельства того, что тес-6кодирует другую канальную субъединицу — МЕС-6, в этом случае канал, видимо, представляет собой гете- ротример субъединиц МЕС-4, МЕС-6 и МЕС-10.
7. Осязание 115 Рис. 7.4. Трансмембранная топология белка МЕС-4. Бе- лок включает два трансмемб- ранных домена и небольшой участок, погруженный в мем- брану непосредственно перед вторым трансмембранным доменом. Петля из 768 амино- кислотных остатков, как по- казано на рисунке, локализо- вана внеклеточно. Замещение аланина713 (Ala) более тяже- лой аминокислотой влечет за собой гибель клетки. По Ta- vermarakis and Driscoll, 1997. Как упоминалось выше, известно намного больше генов тес. Во многих случаях выяснено, какую роль играет каждый из них. Мутации в генах тес-7 и тес-12 приводят к разрушению 15-ти протофиламентных микротрубочек, так характерных для нейронов осязательных рецепторов. Другой ген — тес-2 ко- дирует белок, состоящий из 481 аминокислоты, сходный со стоматином цито- скелета красных кровяных клеток млекопитающих, который, как полагают, участвует в связи между каналом МЕС и микротрубочками (рис. 7.5). Другие гены — тес-1, тес-5, тес-9 кодируют белки МЕС-1, МЕС-5 и МЕС-9, которые обнаруживаются вне клетки — в мантии. Интересная, хотя пока еще спекулятивная, модель предложена для связи всех этих элементов в функциональный тактильный рецептор — она представ- лена на рис. 7.6. МЕС-1, МЕС-5 и МЕС-9 организованы так, чтобы передать давление на кутикулу субъединице МЕС-4 и открыть канал. Когда канал от- крывается, ионы Na+ двигаются по градиенту концентрации, и нейрон депо- ляризуется. Такая механическая трансмиссия работает, если канал стабилизи- рован за счет прикрепления его к микротрубочкам. Такое прикрепление, как мы видели, обеспечивается белком МЕС-2. Иными словами, механическая трансмиссия должна вызвать смещение сети микротрубочек внутрь, что, по- Рис. 7.5. Предполагаемая связь между белком МЕС-2 с 15-ти протофиламентной микротрубочкой нейрона осязательного рецептора. Предполагается, что N-ко- нец МЕС-2 взаимодействует с микротрубочкой, а С-ко- нец с каналом. По Taverma- rakis and Driscoll, 1997.
116 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.6. Концептуальная модель осязательного рецептора С. elegans. Объяснения и номенклатура — в тексте. Из Tavermarakis and Driscoll, 1997, «Molecular modelling of mechanotransduction in the nematode Caenorhabditis elegans». Annual Review of Physio- logy, 59, 679. Воспроизводится с разрешения Annual Review of Physiology, volume 59, © 1997, by Annual Reviews www.annualreviews.org. скольку сеть присоединена к плазматической мембране (см. выше), увеличи- вает натяжение последней и, таким образом, вызвает открывание канала. Множество допущений в предыдущей фразе показывает, что здесь мы оказы- ваемся на переднем крае исследований, и только дальнейшие тщательные экс- перименты позволят отказаться отложных гипотез там, где они образовались. Хотя, как это и указывалось, многое еще остается спекулятивным, осяза- тельный рецептор С. elegans является наиболее изученным на молекулярном уровне механорецептором. Прежде, чем двигаться дальше, стоит упомянуть, что в гл. 8 мы будем рассматривать волосковые клетки позвоночных. Предпо- лагается, что знания о молекулярном механизме, исследованном на механоре- цепторах C.elegans, могут оказаться полезными для понимания того, как функционируют эти существенно отличные органы чувств. Более детально это интересное сравнение мы рассмотрим в разделе 8.1. 7.2. Насекомые Мы рассмотрели структуру механорецептивных волосковых сенсилл и хордо- тональных органов насекомых в гл. 6 (раздел 6.1.2). Мы видели, что они состо- ят из кутикулярных выростов различной формы и размеров, содержащих ней- росенсорные клетки, чьи дендриты присоединены к внутренней части волос- ка сенсиллы посредством, как указывалось выше, «тубулярного тельца», со- держащего микротрубочки. Движение чувствительного волоска обеспечивает адекватный стимул для того, чтобы вызвать изменение потенциала на мембра- не тубулярного тельца и дендрита. Движение в одном направлении вызывает деполяризацию, в противоположном — гиперполяризацию. Во многих случа- ях волоски сенсилл, как мы видели, соединены с экзоскелетом таким образом, что движение в одной из плоскостей — наиболее свободно, т. е. сенсиллы се- лективны по направлению движения.
7. Осязание 117 Мы отмечали в гл. 6, что в области сочленения сегментов и конечностей на- секомых развились обширные участки механочувствительных сенсилл, обеспе- чивающих животное кинестезической информацией. Сенсиллы также, несо- мненно, функционируют как тактильные волоски и по всему остальному телу, особенно голове, где они сильно развиты в антеннах (в наибольшей степени у видов с ночной и сумеречной активностью, а также норных и подземных). Цер- ки таракана, например, усеяны длинными нитевидными сенсиллами. Механочувствительные сенсиллы играют важную роль и в восприятии виб- рации. Субгенуальные органы многих насекомых особенно существенны для детектирования вибраций в диапазоне 10—50 Гц. У американского таракана Periplaneta этот диапазон значительно выше (как мы видели в разделе 6.1.2) и достигает пределов, которые мы можем определить как акустические. Помимо субгенуальных органов у многих насекомых развиты воспринимающие вибра- цию сколопидии в лапках. Некоторые водные виды клопов (Hemiptera) и жуков (Coleoptera) используют эти сенсоры вибрации для улавливания ряби, вызван- ной падением в водоем жертвы. Полужесткокрылая водомерка Gerris касается воды своими лапками сверху, тогда как гребляк Notonecta, плавающий на спи- не, касается пленки поверхностного натяжения воды снизу. Амплитуда волны в пределах 0,5—4 мкм представляет собой адекватный надпороговый стимул при оптимальной частоте 20—200 Гц. Задержка времени порядка 1—4 мс вместе с различием амплитуд, воспринимаемых расставленными лапками, использу- ется для определения направления на источник колебаний. В данном случае участвуют всего менее десяти сколопидиев лапок. Между этими рецепторами вибрации и механорецепторами, подобных таковым позвоночных (гл. 8), де- тектирующими слабые колебания воздуха, которые мы субъективно восприни- маем как звук, нет особой разницы. Действительно, нелегко провести границу между детекторами вибрации и акустическими рецепторами насекомых, кото- рые, в отличие от позвоночных, представляют собой те же самые рецепторы, часто активируемые колебаниями почвы, воды или воздуха. 7.2.1. Акустические сенсиллы и тимпанальные органы У насекомых развились два основных типа специализированных детекторов звука: волоски и тимпанальные органы. Волоски являются важным детекто- ром звука только вблизи от его источника — они зависят от изгибания, вы- званного движением воздуха. Таким образом, сенсорные волоски на церках тараканов и прямокрылых насекомых, напр. саранчи, способны восприни- мать акустические стимулы, испускаемые с расстояния в несколько сантимет- ров, тогда как сенсорные волоски некоторых гусениц реагируют на частоты биений крыльев приближающихся хищных ос. У Drosophila развились перооб- разные «ости» на третьем сегменте антенн (рис. 7.7), настроенные на рецеп- цию вибраций крыльев, которые действуют как внутривидовой сигнал к спа- риванию. У многих видов насекомых как детектор вибрации действует также джонстонов орган. Он располагается во втором сегменте антенн и состоит из большого числа плотно упакованных сколопидиев. У разных видов он выпол- няет различные функции в диапазоне от индикации скорости полета (пчелы) до гравитации (Dytiscus, жук-плавунец). У комаров и звонцов (хирономиды)
118 Часть II. Механочувствительность Волосковый Задняя сторона Рис. 7.7. Различные типы акустических сенсилл насекомых. (А) Бражник имеет два ос- новных типа акустических сенсилл: тимпанальные органы в пальпах и волосковые ор- ганы. Тимпанальные органы в пальпах состоят из воздушных мешков, пересеченных тонкими мембранами (на рис. правый пальп рассечен). Они действуют как детекторы давления и вместе с волосковыми органами могут воспринимать ультразвуковые сигна- лы насекомоядных летучих мышей. (Б) «Ости» плодовой мушки (Drosophila) выступают в стороны из третьего сегмента антенн. Они настроены реагировать на потоки воздуха, воз- никающие в результате биения крыльев особей собственного вида. (В) Голенное ухо на- стоящих кузнечиков (Tettigoniidae). У этих насекомых (а также сверчков) слуховые органы развились на голенях передних лапок (Ш — клетка-шапочка; П — промежуточный орган; Р — рецепторная клетка; СО — субгенуальные органы; СН — субгенуальный нерв; ПТ — передняя трахея; ТП — полость трахеи; TH — тимпанальный нерв; ЗТ — задняя трахея).
7. Осязание 119 орган развит очень сильно и состоит из многих тысяч сколопидиев, присоеди- ненных к сложной внутренней структуре. У этих видов он различает частоту биений крыльев (несколько сот Гц) особей собственного вида, особенно по- тенциальных партнеров по спариванию, на расстояниях до 1 метра. Другой тип рецепторов звука, развившийся у насекомых — тимпанальные органы или уши — реагируют не столько на движение окружающего воздуха, возникающего при биении крыльев, сколько на волны давления. Как и уши позвоночных, они способны детектировать источники звука на значительных расстояниях и чувствительны к частотам до 100 кГц и выше. Тимпанальные органы развились, по крайней мере, у семи отрядов насекомых, включая сет- чатокрылых (Neuroptera), чешуекрылых (Lepidoptera), жесткокрылых (Coleo- ptera), полужесткокрылых (Hemiptera), прямокрылых (Orthoptera) и двукры- лых (Diptera). Они используются для коммуникации, нападения и защиты. Тимпанальный орган состоит из трех основных элементов (рис. 7.7 Д). Сильно утонченная часть кутикулы, часто серебристая, называется тимпаналь- ным органом или тимпанальной мембраной. Под ней располагается воздушная полость, происходящая из полости трахеи. С тимпанальной мембраной соеди- нен хордотональный орган, способный ощущать вибрацию. Эти основные эле- менты скомбинированы между собой в чрезвычайно разнообразные структу- ры, поэтому у насекомых существует множество слуховых механизмов. Тим- панальные органы обнаружены во многих частях организма насекомого. Рис. 7.8 показывает локализацию тимпанальных органов у различных насеко- мых. «Уши» насекомых анатомически не выделены так, как у позвоночных. Акустическая коммуникация хорошо развита у прямокрылых (кузнечики, саранча) и полужесткокрылых (подотряд равнокрылые Homoptera — цикады). Обычно самцы испускают громкую призывную песню, заставляющую самок идти или лететь к ним. Призыв цикады часто достигает очень высокой интен- сивности — действительно, он слышим человеческим ухом на расстоянии бо- лее мили в тропическом лесу. Давление отбора привело к тому, что песни сильно отличаются у разных видов. Медведки (Gryllotalpidae) тоже голосисты. Самцы строят рогообразную норку, которая действует, как мегафон. Голос самца привлекает самок, летающих высоко в небе. У некоторых кузнечиков песня самца вызывает ответный голос самки, так что они поют дуэтом. Рис. 7.7 (продолжение). (Г) У златоглазок акустические рецепторы развились в форме расширений вен передней пары крыльев. Латерально и дорзально расширения окруже- ны толстой кутикулой, а вентрально — тонкой волнистой кутикулой. Два хордотональ- ных органа, состоящие из 25 сколопидиев (на рисунке показаны только два), присоеди- нены к этой тонкой тимпанальной кутикуле. Орган реагирует на высокочастотные сиг- налы эхолокации летучих мышей (СК — соединительные клетки; Ден — дендрит; СкК — клетки окончания сколопидия; СС — стержень сколопидия; ТМ-В и ТМ-Г — волнистая и гладкая части тимпанальной мембраны; Тр — трахея). (Д) Слуховой орган совки. Об- наружен в сегменте заднегруди, состоит из широких сегментов тимпанальной мембраны, покрывающей воздушную полость. Две рецепторных клетки А реагируют на вибрацию тимпанальной мембраны (Б — неслуховой нейрон); ПТМ — противотимпанальная мем- брана; Н — тимпанальный нерв; ТВМ — Тимпанальный воздушный мешок; ТМ — тим- панальная мембрана. (А), (В), (Г), (Д) из Michelsen, 1974. Воспроизводится с разрешения Springer-Verlag GmbH & Со. KG; (Б) из Frazier, 1985: с разрешения.
120 Часть II. Механочувствительность Обнаружение жертвы акустическими средствами практикуется некоторы- ми тахинами. Например, Ormia ochracea, услышав призывную песню самца полевого сверчка Gryllus integer, направляется туда, чтобы отложить свою пара- зитическую личинку. Органы слуха этих насекомых адаптированы таким обра- зом, что максимальная чувствительность приходится на частоту песни самца сверчка — 4,8 кГц. Однако, наверное, наиболее интересное применение тим- панальных органов встречается у ночных и сумеречных златоглазок, которые используют их для обнаружения и избегания хищных летучих мышей. У зеленой златоглазки (Chrysopa earned) тимпанальные органы располага- ются у оснований каждого из крыльев передней пары (рис. 1Л Г и 7.8). Это — два хордотональных органа, включающих около 25 сколопидиев. Эти хордото- нальные органы способны воспринимать звуки, испускаемые летучими мы- шами в диапазоне 13—120 кГц. Летучие мыши, как мы увидим в следующей главе, испускают 7—30 поисковых импульсов в секунду. Когда сонар захваты- вает жертву, и летучая мышь приближается, чтобы убить ее, частота импульсов возрастает. Тимпанальный орган златоглазки детектирует поисковые импуль- сы сонара, и златоглазка, рефлекторно сложив крылья, бесшумно опускается прежде, чем снова будет захвачена сонаром. У большинства бабочек тимпанальные органы развиваются билатерально в заднегруди. В некоторых случаях они также обнаружены на первом, втором и седьмом абдоминальных сегментах, а у бражника — на шарообразных пальпах головы (рис. 7.7 А). Анатомия их у разных видов бабочек варьирует незначи- тельно (рис. 7.7 Д). Тимпанальный орган состоит из тимпанальной мембраны (около 1 мкм толщиной), за которой находится трахеальный воздушный ме- шок, соединенный с внешней средой через дыхальце. Вибрация тимпаналь- ной мембраны детектируется одной, двумя или четырьмя нейросенсорными клетками, подвешенными на тяжах соединительной ткани, идущими от цент- ра тимпанальной мембраны и окружающей кутикулы. У совок очень большого надсемейства Noctuoidea каждый тимпанальный орган имеет по две нейросенсорных клетки — А1 и А2, тогда как в абдоминаль- ных «ушах» надсемейства пядениц (Geometridae) — по четыре. Совки чувстви- тельны к звукам, распространяющимся в воздухе, в диапазоне частот 3—150 кГц. Интересно отметить, что и диапазон и пиковая чувствительность варьирует у островной фауны, в зависимости от вида популяции хищных лету- чих мышей. То есть, слух совок подстроен под интенсивность и частоту специ- фического вида летучих мышей. Две нейросенсорные клетки уха совки отвеча- ют на интенсивности двух диапазонов. Клетка А1 реагирует на диапазон более низкой интенсивности (пиковая чувствительность у некоторых видов — 40 дБ), а клетка А2 — более высокой (около 60 дБ). В настоящее время нет до- казательств, что этот механизм может выделять частоты. Действительно, труд- но себе представить физиологический механизм из двух клеток, который мог бы выполнять эту функцию. Направление, однако, на источник звука может быть определено. Это обеспечивается билатеральной организацией слухового аппарата. Если одно из «ушей» экспериментально инактивировано или инва- зировано ушным клещом Dirocheles phalenodectes, способность локализовать источник звука утрачивается. Другой клещ D. scedastes инвазирует оба уха сов- ки, но не повреждает ни тимпанальной мембраны, ни слухового нерва. В этом
7. Осязание 121 Рис. 7.8. Распространение тимпанальных органов у насекомых, (а) Чешуекрылые (Lepidoptera): 1 — основание крыла (златоглазка Chrysopd), 2 — брюшко (совки и т. д.), 3 — заднегрудь (совки и т. д.), 4 — основание передних и задних крыльев (бабочки-кава- леры Papilionoidea); 5 — основание передних крыльев (Hedyloidea), 15 — волосковый ор- ган (бражники); жесткокрылые (Coleoptera): 6 — брюшко (жуки-скакуны Cicindelidae), 7 — цервикальные мембраны (жуки-скарабеи Scarabaeidae); сетчатокрылые (Dictyoptera): 8 — вентральная заднегрудь (богомоловые Mantodea (Mantis) и таракановые Blattoidea); прямокрылые (Orthoptera): 9 — первый сегмент брюшка (настоящие саранчовые Acrididae). 10 — переднегрудная лапка (сверчок Gryllus); полужесткокрылые (Hemiptera): 11 — брюш- ко (цикады Cystosoma), 12 — среднегрудь (гребляки Corixa)\ двукрылые (Diptera): 13 — вен- тральная переднегрудь (тахины Ormia), 14 — вентральная переднегрудь (серые мясные му- хи Colcondamyia). Из Hoy and Robert, 1996: воспроизводится с разрешения Annual Review of Entomology, volume 41 © 1996, Annual Reviews http://www.AnnualReviews.org. случае способность локализовать источник звука сохраняется, и совка способ- на избегать хищных летучих мышей. В данном случае в упоминавшейся «гон- ке вооружений» участвуют три стороны: совка, клещ и летучая мышь. D. scalestes лучше адаптировался для выживания, чем D. phalenodectes. Клетка А1 совок в норме способна обнаруживать поисковые импульсы со- нара несекомоядных летучих мышей на расстоянии 30—40 м. Если летучая мышь летит со скоростью около 8 м/с, это дает совке 4—5 с, чтобы предпринять защитные действия. Благодаря этой способности детектировать направление на источник звука совка способна отвернуть и улететь от летучей мыши, тогда как последняя не способна обнаружить совку на расстоянии более 5 м. С этой дистанции интенсивность и повторяемость поисковых импульсов возрастает, что, в свою очередь, приводит к активации клетки А2. В этом случае у совки остается менее секунды, чтобы избежать гибели. Она предйринимает ряд бес- порядочных маневров избегания — двигается зигзагом, петлями, спиралями, нырками или пассивно падает в шумящую листву. Некоторые совки способны в эти последние доли секунды испускать звуки в последней попытке избежать приближающихся острых зубов. По поводу функции этих звуков, испускаемых совкой, единого мнения не существует. Возможно, эти звуки должны предупредить атакующую летучую
122 Часть II. Механочувствительность мышь, что совка — противная и ядовитая. В этом смысле предупредительные звуки совок аналогичны яркой предупреждающей окраске невкусных днев- ных насекомых, отпугивающих ею птиц. Если это на самом деле так, было бы интересно выяснить, действительно ли акустика совок представляет собой пример бэйтсовской (в данном случае — вокальной) мимикрии. Другие ис- следователи, однако, предполагают, что щелчки, испускаемые совкой, — это попытка «постановки помех» эхолокации. Показано, что они почти идентич- ны эху, которое летучие мыши получают от своих собственных сигналов. Та- ким образом, звуки, испускаемые совкой, создают помеху анализу ситуации летучей мышью (см. гл. 9), заставляя ее «видеть» препятствие там, где его нет, и, соответственно, уклоняться от него, теряя при этом из виду совку. Теперь от удивительно хитроумных механорецепторов насекомых перей- дем к кажущемуся прозаическим осязательному чувству кожи млекопитаю- щих. Мы увидим, что и она может рассматриваться как сенсорная поверх- ность, способная реагировать не только на механические стимулы, но и тер- мические, а также стимулы, способные вызывать боль. Последние будут рас- смотрены в гл. 19 и 21. В следующем разделе данной главы будет рассмотрена только чувствительность к механической стимуляции. В гл. 8 мы рассмотрим волосковые клетки позвоночных и вернемся к чрезвычайно высокой чувстви- тельности механизмов, развившихся для восприятия очень слабых акустиче- ских вибраций, а также к тем огромным возможностям, которые таким обра- зом открываются для дистантной коммуникации. Мы также вернемся к со- вершающейся под покровом тьмы борьбе между совками и рукокрылыми. 7.3. Тактильные рецепторы кожи млекопитающих Существует несколько способов классификации чувствительных окончаний в коже млекопитающих. Одна из распространенных систем подразделяет их на быстро и медленно адаптирующиеся. Первые реагируют только на прикосно- вение, но «молчат» при постоянном давлении, а вторые — и на включение дав- ления и при постоянном смещении. 7.3.1. Быстро адаптирующиеся рецепторы Быстро адаптирующиеся рецепторы включают пачиниевы тельца, тельца Мейснера, терминальные колбы Краузе и чувствительные окончания волосяных фолликулов. Пачиниевы тельца присутствуют и в неоволосенной коже (напр., ладони рук и подошвы стоп), и в волосистой; окончания волосяных фоллику- лов, по определению, — только в волосистой; тельца Мейснера — только в не- оволосенной коже приматов, а колбы Краузе — только в неоволосенной шку- ре животных, не относящихся к приматам. Пачиниевы тельца Это — овальные структуры длиной от 0,5 до 2 мм в глубоких слоях дермы. На срезах пачиниевых телец — луковицеобразная структура, состоящая из мно- жества слоев соединительной ткани, окружающих немиелинизированное нервное волокно (рис. 7.9 А). Полагают, что слоистая структура преобразует
7. Осязание 123 Рис. 7.9. (А) Пачиниевы тельца; (Б) тельца Мейснера. постоянное по величине сдавливание в кратковременные стимулы. При сдав- ливании это достигается быстрым скольжением слоев тельца относительно друг друга до достижения вскоре некоторого нового равновесия, устраняюще- го сдавливание. Таким образом, пачиниевы тельца способны детектировать вибрацию даже тогда, когда находятся под постоянным давлением. Генераторный потенциал (деполяризация) может обнаруживаться в немие- линизированном окончании, когда пачиниево тельце сдавлено. При этом воз- никает короткий залп импульсов в сенсорном волокне, который угасает за 1-2 секунды до нуля или очень малой частоты. Как предполагает их физиолог гия, основной функцией пачиниевых телец кожи является детектирование ви- брации. Частоты вибраций, на которые они реагируют, находятся в диапазоне 70—1000 Гц. Наиболее чувствительны они, однако, в диапазоне 200—400 Гц, где деформация кожи всего на 1 мкм является достаточным стимулом. Тельца Мейснера Они также обнаруживаются в дерме неоволосенной кожи. Нервные оконча- ния окружены соединительнотканной капсулой, которая прикреплена к вы- шележащим слоям стратифицированного эпителия коллагеновыми волокна- А , ми (рис. 7.9 Б). Это обеспечивает эффективную механическую связь между по- ‘ ' верхностью кожи и органом чувства. Нервные окончания образуют в капсуле спираль, ветви которой изолированы друг от друга оболочками из шваннов- ских клеток, и стимулируются движением кожи, в частности, вибрацией. Час- тотный диапазон этих вибрационных стимулов ниже, чем характерный для пачиниевых телец — от 10 до 200 Гц.
124 Часть II. Механочувствительность Терминальные колбы Краузе Они достаточно схожи с тельцами Мейснера. Однако, они в основном встреча- ются у млекопитающих, не относящихся к приматам, где они опять-таки обнару- живаются в неоволосенной коже. Колбы имеют пластинчатую капсулу, окружа- ющую стержневидныое или спиральное нервное окончание. Как и тельца Мейс- нера, колбы реагируют на вибрацию низких частот — в пределах 10—100 Гц. Рецепторы волосяных фолликулов Сенсорные нервные окончания образуют сложную сеть вокруг волосяного фол- ликула непосредственно под сальными железами. Каждое окончание образует расширение, заполненное митохондриями и вплотную окруженное шваннов- скими клетками. Окончания распределены вокруг фолликула, некоторые во внешнем сосудистом слое, другие — проникают между наружным и внутренним слоями клеток корня волоса. Некоторые веточки идут вертикально вдоль воло- сяного фолликула; другие — обвиваются вокруг него. Еще часть веточек оканчи- вается на дисках Меркеля под эпидермисом. Рецепторы волосяных фолликулов подразделяются на по крайней мере три различных типа (D, G и Т) в соответ- ствии с их чувствительностью и частотой их импульсации. Они реагируют на любые движения волос. У многих видов млекопитающих волосы в области рта удлиненны в форме усов (вибрисс) или тактильных волосков. Рецепторы, свя- занные с этими образованиями, принадлежат как к быстро, так и медленно адаптирующимся типам. Мы еще вернемся к вибриссам, когда будем рассмат- ривать центральный анализ тактильной информации ниже в данной главе. Рис. 7.10. Сенсорная иннервация волосяного фолликула. Э — эпи- дермис, Ф — фолликул, В — волос, ВЛК— внутренний листок корня, М — диск Меркеля, МАФ — мие- линизированное афферентное во- локно, НЛК — наружный листок корня, НСС — наружный сосудис- тый слой, С — сосочек.
7. Осязание 125 7.3.2 Медленно адаптирующиеся рецепторы В отличие от быстро адаптирующихся рецепторов, рассмотренных в предыду- щем разделе, эти рецепторы реагируют на смещение кожи, но продолжают ос- таваться активными, когда кожа удерживается в новом положении. Существу- ет три типа таких рецепторов: клетки Меркеля, нервные окончания Руфини и С-механорецепторы. Принято объединять медленно адаптирующиеся рецеп- торы в две категории. Рецепторы типа I реагируют на быстрые прикосновения, а рецепторы типа II — на постоянное смещение кожи, особенно если она на- тянута. Клетки Меркеля Они относятся к типу I, расположены под эпидермисом, обладают крупными неправильной формы ядрами и микроворсинками, простирающимися к эпи- дермальным клеткам (рис. 7.11 А). У их оснований располагаются дисковид- ные окончания сенсорных аксонов (диски Меркеля). Группа из 10—20 клеток Меркеля образует синаптические контакты с окончаниями одного сенсорного аксона. Клетки Меркеля реагируют на внезапные смещения кожи, например при поглаживании. Окончания Руфини Эти окончания типа II реагируют на длительные смещения кожи. Они обнару- живаются в глубоких слоях гиподермы. Как показано на рис. 7.11 Б, оконча- ния сенсорного аксона образуют сеть тонких веточек в соединительнотканной капсуле. С-механорецепторы Большое количество немиелинизированных С-волокон берут начало в гипо- дерме, многие — вблизи от границы между эпидермисом и гиподермой. Диф- ференцированных сенсорных окончаний, связанных с этими волокнами, нет. Они реагируют медленно адаптирующимся разрядом на постоянное надавли- вание. С-волокна также реагируют и на другие модальности — температуру (гл. 19) и повреждение кожи (боль) (гл. 21). 7.4. Анализ тактильной информации в мозге Огромное большинство сенсорных волокон от кожных рецепторов входят в спинной мозг через дорзальные корешки и оканчиваются в дорзальных рогах серого вещества. Механорецептивные афференты, обычно имеющие большой диаметр (исключая, естественно С-волокна), занимают в дорзальном корешке центральное положение и окружены более тонкими волокнами от болевых и терморецепторных окончаний. Тела нейронов всех этих волокон располагают- ся в ганглиях дорзального корешка. Значительная часть немиелинизирован- ных волокон малого диаметра (около 30%) покидает дорзальный корешок и направляется в вентральный корешок, где оканчивается в вентральном роге
126 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.11. (А) Клетка Меркеля. Веточки миелинизированного аксона иннервирует 10—20 клеток Меркеля. Окончание каждой веточки расширено в форме диска (диск Меркеля). А — афферентный аксон, БМ — базальная мембрана эпидермальных клеток, Д — десмосамы, Э — эпидермальная клетка, ТГ — тельце Гольджи, Я — ядро клетки Меркеля, ДМ — диск Меркеля. (Б) Окончание Руфини. Сенсорный аксон разветвляется внутри соединительнотканной капсулы, образуя комплекс переплетающихся оконча- ний. Из Iggo, 1982. Воспроизводится с разрешения Cambridge University Press. серого вещества (рис. 7.12). Большинство этих волокон висцерального проис- хождения. Участок кожи, посылающий афференты в данный дорзальный ко- решок, называется дерматомом (см. рис. 21.3). Соседние дерматомы перекры- ваются. Следуя в спинном мозге, волокна тактильной чувствительности достигают коры головного мозга различными путями. Их известно четыре (рис. 7.12), хо- тя они и не образуют анатомически изолированных трактов. Спиноцервикаль- ный тракт (СЦТ) и волокна дорзального канатика восходят по ипсилатераль- ной стороне спинного мозга до латерального цервикального ядра и ядра дор-
7. Осязание 127 Рис. 7.12. Афферентные пути в спинном мозге. Показаны А- и С-волокна, входящие в спин- ной мозг через дорзальный ко- решок. Часть (ок. 30%) С-воло- кон идут в вентральный рог се- рого вещества через вентраль- ный (передний) корешок. Все тела нейронов этих волокон лежат в ганглии дорзального корешка. Показаны пути в ЦНС к соматосенсорной коре. Дальнейшие объяснения в тек- сте. ДК — дорзальный канатик, ИЛ — интраламинарное ядро, ЗТЯ — заднее таламическое яд- ро, С1 — первичное соматосен- сорное пространство, С2 — вторичное соматосенсорное пространство, СЦТ — спино- цервикальный тракт, СРТ — спиноретикулярный тракт, СТТ — спиноталамический тракт, ЗВТ — заднее вентраль- ное ядро таламуса. Из Iggo, 1982. Воспроизводится с разре- шения Cambridge University Press. зального канатика, соответственно. Отсюда, из продолговатого мозга, идет следующий участок пути, который оканчивается в заднем вентральном ядре таламуса. Последний нейрон пути посылает аксон, оканчивающийся в пер- вичной или вторичной соматосенсорной коре головного мозга. Два другие пу- ти, как показано на рис. 7.12, образуют перекрест на уровне спинного мозга (в пределах двух сегментов от места входа в спинной мозг) и образуют спино- ретикулярный (СРТ) и спиноталамический (СТТ) тракты. Волокна СРТ вос- ходят в вентролатеральном квадранте спинного мозга к ядрам среднего мозга и таламуса. Отсюда волокна направляются к соматосенсорным областям коры. Наконец, СТТ образован волокнами антеролатерального квадранта спинного мозга, оканчивающимися на трех таламических ядрах (см. рис. 7.12). В соста- ве этого тракта идет значительное количество ноцицептивных волокон, Опять-таки, аксоны последних нейронов тракта восходят в соматосенсорные участки головного мозга. Эти пути и ядра обеспечивают некоторую первичную обработку сомато- сенсорной информации прежде чем она достигнет коры головного мозга. Хо- тя полагают, что между нейронами дорзального рога спинного мозга и аффе-
128 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.13. Верхняя часть рисунка — вид мозга сбоку. На рисунке показано расположение соматосенсорной коры. СП — вторичная соматосенсорная кора. На правой части рисун- ка — срез коры (помечен А—А' на левой части рисунка). Обозначены цитоархитектони- ческие поля Бродмана (ПБ). рентными волокнами существует взаимно однозначное соответствие, никто не сомневается, что и интернейроны дорзального рога оказывают свой эф- фект. Мы встретимся с важными примерами таких синаптических взаимодей- ствий, когда будем рассматривать ноцицептивные волокна и чувство боли в гл. 21. Более широкое взаимодействие между различными типами механочув- ствительных афферентов имеет место в ядрах таламуса. Пункт назначения соматосенсорных волокон в коре головного мозга — два участка соматосенсорной (соместезической) коры. Первичная соматосенсор- ная кора расположена в постцентральной извилине непосредственно за ро- ландовой бороздой, а вторичная кора (у приматов) располагается в передней стенке сильвиевой борозды. Первичная соматосенсорная кора подразделяется на три цитоархитектони- ческих участка: поля Бродмана 1, 2, За и ЗЬ (см. рис 7.13). Соматосенсорные волокна из ядер таламуса оканчиваются в полях За и ЗЬ, а клетки этих полей проецируются в поля 1 и 2. Таламические ядра также посылают немногочис- ленные проекции во вторичную соматосенсорную кору, но большинство во- локон поступает в этот участок из всех четырех полей первичной соматосен- сорной коры. Вторичная кора находится в большой зависимости от первич- ной, и если ее связи с первичной корой повреждены, активность нейронов вторичной коры прекращается. Напротив, удаление части вторичной коры не сказывается на активности первичной. Если рассмотреть гистологическую структуру первичной соматосенсорной коры, то мы обнаружим, как и во всех других участках неокортекса млекопи- тающих, шестислойную стратификацию (рис. 7.14). Волокна из таламических ядер оканчиваются в слое 4. Остальные слои содержат нейроны, чьи аксоны идут в другие части мозга. Клетки слоев 2 и 3 проецируются в другие области коры, особенно в поля Бродмана 5 и 7. Слой 5 проецируется в подкорковые яд- ра, а слой 6 — обратно в таламус. Менее очевидна для микроскописта колончатая структура коры, ортого- нальная стратификации (рис. 7.14). Эти колонки впервые были обнаружены
7. Осязание 129 Рис. 7.14. Схематическое изображение среза через соматосенсорную кору пока- зывает ее горизонтальную стратификацию на 6 слоев и вертикальное подразделение на колонки. Как указывается в тексте, каждая колонка ответственна за одну мо- дальность. Хотя каждое поле Бродмана получает полный набор соматосенсорных афферентов, здесь существует некоторая специализация. Поле Бродмана За получа- ет афференты главным образом от мышеч- ных веретен; ПБЗЬ — от кожных рецепто- ров; ПБ2 — от глубоких рецепторов давле- ния, а ПБ1 — от быстро адаптирующихся кожных рецепторов Верноном Маунткаслом (Vernon Mountcastle) с помощью микроэлектродного анализа. Хотя специальные методики окрашивания и продемонстрировали их ' гистологическую реальность, они все же чаще рассматриваются как единицы или модули физиологической активности. Колонки имеют 300—500 мкм в ди- аметре и идут вертикально через кору, включая в себя клетки всех шести гис- тологически различимых слоев. Микроэлектродные отведения показали, что все клетки данной колонки отвечают на один и тот же тип или подтип стиму- лов. Более того, Маунткасл обнаружил, что специфичность ответа здесь даже выше — все клетки колонки отвечают на возбуждение одного и того же типа рецептора. Например, все клетки одной колонки могут отвечать на движение волос в какой-то определенной части тела; все клетки в другой колонке — на возбуждение телец Мейснера в той же или иной части тела, а какая-то иная ко- лонка — только на медленно адаптирующиеся рецепторы Меркеля и т. д. Кор- тикальные колонки, таким образом, — это очень специфичные модули пере- работки информации. Они получают точную информацию о какой-то одной сенсорной субмодальности из одного участка поверхности тела. Помимо того туда же поступает информация из других колонок соматосенсорной коры и (через мозолистое тело) из эквивалентных колонок с противоположной сторо- ны мозга. Микроэлектродные исследования кроме того показывают, что клетки ко- лонок отвечают не только на стимулы специфической модальности, но и очень специфичны в отношении места ее происхождения. То есть, можно го- ворить о том, что клетки первичной соматосенсорной коры имеют свои рецеп- тивные поля (РП) (см. гл. 3). Рецептивные поля соседних клеток часто пере- крываются, и здесь существует определенная динамика перемещения границ РП. Размеры РП сильно варьируют в зависимости от того, какую часть орга- низма они представляют. РП для клеток, получающих афферентацию от кон- чиков пальцев, имеют диаметр около 3—4 мм. Напротив, РП клеток коры, по- лучающих афференты от туловища, более чем в 100 раз крупнее. Иными сло- вами, система организована в соответствии с ее биологическим смыслом. Те
130 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.15. Соматосенсорный гомункулус. Рисунок показывает венечный срез через постцентральную извилину. Отметьте большие размеры коры, связанной с кистью руки, лицом и губами. части тела, где требуется тонкое различение сигналов, клетки соматосенсор- ной коры «рассматривают под микроскопом» в мельчайших деталях, а те час- ти тела, которые обычно не требуют такого внимания, контролируются всего несколькими клетками. Кортикальные клетки, чьи рецептивные поля располагаются на поверхнос- ти тела рядом, группируются вместе и в коре. В результате в первичной сомато- сенсорной коре образуется представительство контрлатеральной поверхности тела, которое может быть картировано с помощью микроэлектродной техни- ки. Такое представительство иногда называют соматосенсорным гомункулусом (рис. 7.15). Впервые это явление было обнаружено канадским нейрохирургом Уайлдером Пэнфилдом (Wilder Penfield) в ходе операций на головном мозге при местной анестезии. Чтобы убедиться, что те или иные иссечения мозга не приведут к катастрофическим последствиям, Пенфилд стимулировал кору в различных точках и спрашивал пациента, что он чувствует. Поскольку разме- ры РП кортикальных клеток варьируют так сильно, получившаяся карта чрез- вычайно неизоморфна. Надо отметить, что в соматосенсорной коре «присут- ствует» не один гомункулус, а четыре — по одному в каждом из субрегио-
1. Осязание 131 нов — т.-е. полях Бродмана 1, 2, За и ЗЬ. Эти карты в основном совпадают меж- ду собой. Наконец, следует упомянуть, что размеры гомункулуса варьирует, в соответствии с биологической значимостью, у разных животных. Выше мы отмечали, что размеры РП клеток соматосенсорной коры не фик- сированы и могут расширяться или сокращаться в ответ на различные обстоя- тельства. Сходным образом размеры участка коры, контролирующего ту или иную часть тела, могут меняться в ответ на воздействие. Возможно наиболее из- вестные исследования этой лабильности выполнены на вибриссах мыши. 7.5. Пластичность соматосенсорной коры Выше мы видели, что быстро адаптирующиеся механорецепторные волокна охватывают нижнюю часть волосяного фолликула и воспринимают любые движения волоса. У многих млекопитающих это чувство значительно усилено вследствие развития вибрисс (усов) в области, окружающей рот. У мышей раз- мер области коры, связанной с вибриссами, больше, чем связанной с лапками. Каждая из вибрисс посылает около 100 миелинизированных волокон в соста- ве тройничного нерва в первичную соматосенсорную кору. Эти волокна окан- чиваются в слое 4 коры в специализированных структурах, называющихся «бочонками» (рис. 7.16). Каждый бочонок состоит из 1500-2500 нейронов и имеет 100—300 мкм в диаметре. Количество бочонков точно соответствует чис- лу вибрисс на контрлатеральной стороне морды, более того, они выстроены в таком же порядке, как сами вибриссы. Вулси (Woolsey) и ван дер Лоос (van der Loos) выполнили несколько очень демонстративных опытов на этой хорошо изученной системе. Если у мыши вырастает дополнительная вибрисса, в соматосенсорной коре появляется до- полнительный бочонок. При этом общая площадь, занимаемая бочонками, не увеличивается — дополнительный бочонок в нее «втискивается». Это выгля- дит так, как будто вибриссы конкурируют за ограниченное пространство ко- ры. Аналогичным образом, если удалить вибриссу, соответствующий бочонок атрофируется, а занимаемое им пространство оккупируется остальными. Кон- кретные биохимические механизмы, которые реализуют такую удивительную лабильность коры в ответ на изменение афферентации, еще остаются предме- том множества исследований. Схожую пластичность мы встретим, когда будем рассматривать первичную зрительную кору. Эксперименты на обезьянах, натренированных выполнять задачу, связан- ную с управлением вращающимся колесом кончиками двух пальцев, показали проявление сходной пластичности соматосенсорной коры. Сравнение карт участков коры, связанных с кончиками пальцев (что было продемонстрирова- но микроэлектродными отведениями), до и после тренировки показало, что в последнем случае площадь увеличивается в несколько раз. Более того, хотя об- щая площадь представит^-—кончиков пальцев увеличивается, размеры рецептивных полей нейронов, на которых проводилось микроэлектродное от- ведение, оказались значительно меньше, чем у нетренированных животных. Сходные результаты были получены на обезьянах, утративших пальцы, в этих случаях, естественно, кортикальное представительство отсутствующих паль- цев исчезает, а оставшихся — увеличивается.
132 Часть II. Механочувствительность Рис. 7.16. Бочонки вибрисс мыши. (А) Го- лова с пятью рядами вибрисс. (Б) Срез ко- ры, показывающий бочонки, каждый из которых соответствует одной вибриссе. (В) Схема организации бочонков. (Г) схе- ма, показывающая эффект удаления виб- рисс. (i) полный набор вибрисс, полный набор бочонков, (ii) один ряд вибрисс удален, незатронутые бочонки растут на площади, занимаемой неиспользуемыми бочонками, (iii) один вертикальный ряд вибрисс удален, тот же эффект — незатро- нутые бочонки колонизируют простран- ство, оставленное неиспользуемыми бо- чонками, (iv) полное удаление вибрисс, потеря всех бочонков. (А, Б, В) — из Woolsey & van der Loos, 1970, с разреше- ния. (Г) — из Cowan, 1979, с разрешения.
7. Осязание 133 Введение таких сложных методик исследования нервной системы, как функциональный магнитный резонанс (ФМР) и магнитоэнцефалография (МЭГ) позволило проводить аналогичные исследования и на людях. МЭГ показала, что соматосенсорное представительство пальцев левой руки зна- чительно увеличено у исполнителей на струнных инструментах (скрипачей, альтистов, виолончелистов и контрабасистов) по сравнению с представи- тельством пальцев правой руки или с представительством пальцев левой ру- ки оркестрантов, не входящих в струнную группу. Другое интересно исследование выполнено на слепых пациентах, обучаю- щихся азбуке Брайля. Использование ФМР и регистрация вызванных сомато- сенсорных потенциалов (ВСП) с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) по- казало, что участки соматосенсорной коры, в которых представлены пальцы, участвующие в чтении брайлевских текстов, увеличиваются. Складывается впечатление, что сначала «демаскируются» предсуществующие нейрональные связи, которые впоследствии делаются постоянными в результате структурных изменений. У ослепших в раннем возрасте затылочная кора также вовлекается в процесс чтения брайлевского текста. Это особенно интересно, поскольку из- вестно (гл. 17), что затылочная кора в норме связана со зрением. ФМР и ВСП показывают, что у таких лиц устанавливаются (или укрепляются) кортико-кор- тикальные связи между соматосенсорно-моторной корой, в норме обрабатыва- ющей тактильную и двигательную информацию от участвующих в брайлевском чтении пальцев, с первичной и вторичной зрительной корой. Эти связи кажут- ся важными для точности чтения. В гл. 17 мы увидим, что и первичная зрительная кора (по крайней мере в чувствительный период) адаптируется к сенсорным (в данном случае — зри- тельным) афферентам. Карты в зрительной коре, конечно, не фиксированы и, как и остальные части организма, реагируют на упражнение или неупражне- ние органа. 7.6. Заключение Аристотель, как можно подметить в эпиграфе к Части II, полагал, что осяза- ние — это определяющая характеристика животного. Он считал, что это наи- более фундаментальное из всех чувств, и мы теперь имеем возможность по- нять, что он имел в виду. В данной главе мы проникли туда, куда никак не мог проникнуть Стагирит1 — под кожу — и увидели разнообразные органы чувств и нервные окончания, ответственные за осязание. Мы проследили путь так- тильной информации в соматосенсорную кору. Мы убедились, насколько прав был философ в оценке универсальности и древности этого чувства. Мы отметили, что тактильная чувствительность маленькой нематоды С. elegans обещает пролить свет на механизмы, которые работают в нас самих. Мы уви- дели, что осязательные рецепторы, развившиеся у насекомых, способны де- тектировать рябь на поверхности воды и изменения атмосферного давления — 1 Уроженец или житель Стагиры — области в древней Македонии, чаще всего имеется в виду Аристотель — Прим, перев.
134 Часть II. Механочувствительность звук. Мы увидим в следующей главе аналогичные приспособления, когда рас- смотрим ухо позвоночного. Наше изучение чувства осязания увлекло нас дальше я жизнь животного, чем просто в обнаружение им колебаний атмосферы. Мы увидели, как «уши» насекомых, помимо прочих приспособлений, используются в коммуникации между индивидами. Мы отметили, что совки и златоглазки способны обнару- живать приближение хищных летучих мышей. Однако в еще большей степени осязание вовлечено в социальную жизнь многих насекомых. Любой, кто на- блюдал за взаимодействиями социальных насекомых, как муравьи и пчелы, знает, что для них осязание имеет жизненно важное значение — достаточно посмотреть, как часто и подолгу они ощупывают друг друга. Этот аспект осяза- ния чрезвычайно важен и для некоторых социальных млекопитающих, особен- но приматов. Процесс груминга, первоначально связанный с необходимостью удаления из шерсти эктопаразитов, перерос в социальное действие. В некото- рых обезьяньих стаях (в зависимости от размера) эта активности занимает до 20% времени. Такие тактильные взаимодействия имеют выраженный эффект на нейроэндокринную систему, делая возможным относительно спокойное сосуществование возбудимых и агрессивных животных. Некоторые считают, что люди развили систему болтовни для замещения тактильных контактов. Прикосновения, однако, остаются чрезвычайно важными и для нашего вида. От рукопожатий до более интимных контактов — соприкосновение кожи двух индивидов играет незаменимую роль в их общении.
8. РАВНОВЕСИЕ И СЛУХ: ФУНКЦИЯ ВОЛОСКОВЫХ КЛЕТОК Структура и функция волосковых клеток: структура волосковых клеток — стереоцилии и киноцилии — соединение кончиков стереоцилий — на- правленность — воротные механизмы ионных каналов — воротно-сдви- говая модель стимуляции волосковых клеток — сравнение с осязатель- ными МЕС-рецепторами С. elegans — адаптация. Каналы боковой линии: органы боковой линии — эхолокация — адаптация каналов к различным водным условиям. Эволюция уха: ранняя связь с системой боковой ли- нии — основные черты структуры. Равновесие: мембранный лабиринт: структура и функция — макулы саккулюса и утрикулюса, отолиты — ку- пулы в ампулах полукружных каналов. Фонорецепция: рыбы (веберовы косточки) — земноводные — пресмыкающиеся (развитие улитки lagae- па) — птицы (улитка, кортиев орган) — млекопитающие (улитка, корти- ев орган). Анатомия и физиология улитки млекопитающих: базилярная мембрана — внутренние и наружные волосковые клетки — генетика — контроль чувствительности — микрофонные потенциалы — теории зал- па и места в механизмах частотной дискриминации — регуляция волос- ковых клеток — высокочастотная чувствительность у собак, грызунов, китообразных и летучих мышей — эхолокация у летучих мышей: специа- лизация к различным условиям среды — независимая эволюция у круп- ных и мелких рукокрылых — сенсорный мир насекомоядных летучих мышей. Заключение: вездесущность неподвижных ресничек Из всех тонких устройств органов чувств, развитых позвоночными, волос- ковые клетки — возможно, наиболее удивительные. Они обнаруживаются у различных типов и мало отличаются у рыб и у людей. Рассчитано, что на преде- ле чувствительности уха млекопитающих волосковые клетки стимулируются сдвигом кончика реснички всего на десяток нанометров. Хадспет (Hudspeth) предложил замечательную аналогию — он уподобил действие адекватного сти- мула на кончик стереоцилии волосковой клетки сдвигу верхушки Эйфелевой башни на дюйм. Действительно, чувствительность волосковых клеток ограни- чено только случайным шумом, производимым броуновским движением. 8.1. Анатомия и физиология волосковых клеток Структура волосковых клеток очень схематично показана на рис. 8.1. Из кути- кулярной пластинки на дистальном конце клетки вырастает группа до 60 «во- лосков». Волоски — двух типов: стереоцилии и одиночная киноцилия.
136 Часть II. Механочувствительность Рис. 8.1. Волосковая клет- ка. Схематический рису- нок показывает основные элементы типичной воло- сковой клетки позвоноч- ных. Обычно стереоцилий намного больше (до 60), чем показано на рисунке, но киноцилия — всегда одна. 50-60 стереоцилий — это окруженные оболочкой пучки микрофиламентов, а единственная длинная киноцилия — это истинная неподвижная ресничка, ча- сто — с булавовидным кончиком. Рисунок показывает, что все волоски сужа- ются к тонкой «шейке», где они входят в кутикулярную пластинку, а их размер увеличивается по направлению к киноцилии. Если рассмотреть стереоцилию при большом увеличении, мы увидим, что она намного длиннее большинства ресничек — 5 мкм, а у ящерицы — даже 30 мкм. У них больше и диаметр — до 900 нм, сужающийся, однако, к основа- нию до 100 нм. Помимо актиновых микрофиламентов стереоцилии содержат заметное количество миозина и кальмодулина. Наконец, и это существенно, электронно-микроскопическое исследование показывает, что кончики сте- реоцилий связаны между собой тонкими полипептидными нитями (рис. 8.2). Они начинаются с клубочка на самой короткой стереоцилии и идут к более длинной соседней. Связывающие стереоцилии волокна находятся под некото- рым натяжением, так что, если они повреждаются, мембрана стереоцилии, из которой они исходят, расслабляется. Уже упоминалась чрезвычайная чувствительность волосковых клеток к ме- ханическим стимулам. В этом можно удостовериться, двигая стереоцилию тонким микрозондом в ту и другую сторону. Стереоцилия двигается как жест-
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 137 Рис. 8.2. Соединение кончиков стереоцилий. Рисунок показы- вает, что кончики стереоцилий соединены между собой и, в конце концов, с киноцилией тонкими нитями. кое тело — вращаясь вокруг своего суженого основания. Пороговые сдвиги вызывают на мембране волосковой клетки рецепторный потенциал амплиту- дой около 100 мкВ. Знак этого потенциала зависит от направления движения стереоцилии относительно киноцилии (рис. 8.3). Если пучок стереоцилий на- клоняется по направлению к киноцилии, наблюдается деполяризация; если в противоположную сторону — гиперполяризация. Движение под прямым уг- лом к этой оси не влияет на мембранный потенциал. Эти рецепторные потен- циалы достигаются при сдвигах, превышающих ок. 100 нм. Процесс передачи сигнала очень быстр. Многие млекопитающие, напри- мер представители китообразных и рукокрылых, реагируют на звуковые часто- ты до по крайней мере 100 кГц. В этом случае не хватает времени на биохими- ческие процессы рецепторных взаимодействий и формирование вторичных мессенджеров, которые работают в хемо- и фоторецепции. Воротные механиз- мы каналов мембраны волосковых клеток должны открываться и закрываться очень быстро. Электрический ответ должен наступать в результате почти мгно- венного потока ионов по градиенту концентрации. Где же расположены эти во- ротные механизмы? Чтобы ответить на этот вопрос, пришлось провести тонкие эксперименты. Вероятно, наибольший ионный поток в ответ на сдвиг наблюдается вблизи от кончика стереоцилии. Было показано, что ответ развивается очень быстро — начинается через несколько микросекунд после включения стимула, а насы- щения достигает за прибл. 100 мкс. Проводимость (ок. 50 пСи при 30°С), глав- ным образом для ионов К+, которые, как мы увидим, присутствуют а эндолим- фе, в которую погружены стереоцилии, в высокой концентрации. То обстоя- тельство, что через канал способны проходить и другие катионы, включая Са2+ и даже малые органические ионы, такие как холин, показывает, что канал имеет достаточно широкую пору — вероятно, ок. 0,7 нм в диаметре. Расчеты показали, что на каждой стереоцилии порядка четырех таких каналов.
138 Часть II. Механочувствительность Г иперполяризация _1------------L Деполяризация 1_LJ 1 1 1 1 1 1 1 1 lilUUUilllUlIlIllllUllllllUl I 1 | I | | 11 11 t Активность Повышение в покое частоты импульсации и___I___I__11 । I I I I 1 I I I I I Понижение частоты импульсации Торможение Возбуждение Рис. 8.3. Электрический ответ волосковых клеток на движение стереоцилий. Дви- жение стереоцилий в одном из направлений вызывает деполяризацию волосковой клетки; движение в противоположном направлении — гиперполяризацию. Эти ва- риации полярности преобразуются в повышение или понижение активности в сенсорном нервном волокне. Из Flocke, 1965. Воспроизводится с разрешения Cold Spring Harbor Laboratory Press. Биофизическая модель стереоцилии предложена Хадспетом и другими. Мы уже отмечали, что каждая стереоцилия связана вблизи от кончика молеку- лярной нитью (концевой связью) с соседней более длинной (рис. 8.2). Нако- пились данные, показывающие, что эти нити просоединены к ионным кана- лам. Предполагается, что, когда стереоцилия находится в покое, наблюдается небольшая утечка через каналы. Рис. 8.4 показывает, что вероятность откры- того состояния составляет около 0,1. Когда механический стимул вызывает сдвиг группы стереоцилий в сторону киноцилии, у более длинных стереоци- лий вероятность открытия каналов сдвигается к единице. Поскольку, как мы увидим ниже, реснички погружены к богатую ионами калия среду (эндолим- фу), К+ — это основной ион, входящий в ресничку. Это вместе с потоком Са2+ в клетку вызывает деполяризацию мембраны. Если стереоцилии сдвигаются в противоположном направлении, вероятность открывания каналов смещается к нулю. Поток К+/Са2+ прекращается и мембрана гиперполяризуется. Идентификация ионных каналов затруднена, поскольку на каждой стерео- цилии их всего по одному — двум. Количество белка, таким образом, исчеза- юще мало (несколько фемтомолей). Можно ли и в этом случае использовать сравнительный подход? Одни из впечатляющих результатов современных мо- лекулярно-биологических исследований заключается в поразительном един- стве животного мира на молекулярном уровне. В гл. 7 мы рассматривали так- тильные рецепторы Caenorhabditis elegans и отмечали их сходство с эпителиаль- ными Ыа+-каналами (3NaK). Могут ли ионные каналы стереоцилий принад- лежать к тому же семейству? Косвенные подтверждения этому были получены при изучении блокаторов каналов. 3NaK очень чувствительны к амилориду — почечные Ка+-каналы блокируются наномолярными концентрациями этого
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 139 Вероятность открытого состояния канала = О Вероятность открытого состояния канала = 0,1 Состояние покоя Рис. 8.4. Воротно-сдвиговая модель стимуляции волосковых клеток. Объяснения в тексте. Из Gillespie, 1995, с разрешения. Вероятность открытого состояния канала = 1 вещества. Показано, что амилорид блокирует также и каналы стереоцилий. Следовательно, возможно, что каналы С. elegans и волосковых клеток позво- ночных сходны. Если это так, то элегантные данные, полученные на нематоде, могут быть пригодны для понимания работы человеческого уха. Описанный выше механизм делает возможным почти мгновенный ответ на механическую стимуляцию (что и наблюдается), в то же время известно, что большинство волосковых клеток очень быстро адаптируется (за несколько де- сятков миллисекунд).Иными словами, когда отклонение стереоцилий поддер- живается более миллисекунды, поток К+/Са2+ внутрь клетки и последующая деполяризация прекращаются. Как это происходит? Недавние исследования показали существование в стереоцилии удивительного механизма. Схема его ультраструктуры показана на рис. 8.5. Из рисунка видно, что канальный белок, помимо концевой связи, соединен через миозиновый «движитель» с внутрен- ними актиновыми микрофиламентами. Это соединение обеспечивает основу для стабилизации положения канала в мембране, так что усиление натяжения на концевой связи не сдвигает весь канальный белок по стереоцилии в плос- кости мембраны. Снова напрашивается интересное сравнение с тем, как так- тильный рецептор С. elegans прикрепляется к молекулам тубулина в нейросен- сорной клетке (рис. 7.5 и 7.6). Механизм, ответственный за адаптацию, зависит от потока Са2+ внутрь клетки при открытом канале. Одна из теорий предполагает, что это приводит к разрыву савязи между миозиновым «движителем» и актиновыми микрофи- ламентами в стереоцилии. Это в свою очередь позволяет ионному каналу скользить по мембране стереоцилии, устраняя тем самым натяжение конце- вой связи. Вероятность открытого состояния канала снижается и поляризация мембраны возвращается к уровню покоя. Когда стереоцилия возвращается к нормальному неизогнутому состоянию, вероятность открытого состояния ка- нального белка, который теперь не испытывает натяжения, приближается к
140 Часть II. Механочувствительность Рис. 8.5. Адаптация волос- ковых клеток. Когда рес- нички отклонены, канал открыт, а «моторный ком- плекс» отсоединен от ак- тиновых филаментов. Ка- нальный комплекс сколь- зит по стереоцилии и натя- жение на воротном меха- низме устраняется. Канал закрывается. Затем, когда стереоцилия возвращается к вертикальному положе- нию, «моторный комплекс» поднимается по актиново- му филаменту, таща за со- бой канал к его положению покоя. Дальнейшие объяс- нения в тексте. Из Gillespie and Corey, 1997, с разреше- ния. нулю. В отсутствии потока Са2+ миозиновый движитель тянет канал по акти- новому филаменту, возвращая натяжение концевой связи к исходному значе- нию и вероятности открытого состояния канала к 0,1. Следует оговориться — хотя гипотетический механизм адаптации выглядит весьма привлекательно, еще очень много исследований потребуется, чтобы установить его реальность несомненно. Помимо потока Са2+ через трансдукционные каналы ресничек, ионы Са2+ входят также в клетку через потенциал-зависимые каналы в кутикулярной пластинке. Эти каналы открываются, когда мембрана деполяризуется вследст- вие, как мы видели, отклонения стереоцилии. Поток Са2+ приводит в свою очередь (через сложный ряд событий, описанных в книгах по молекулярной нейробиологии) к выделению медиаторного вещества из основания волоско- вой клетки (рис. 8.6). В зависимости от природы медиатора и природы подле- жащего дендрита это инициирует или ингибирует синаптический потенциал. В первом случае запускается потенциал действия, который распространяется по сенсорному нерву в центральную нервную систему. Хотя пионерские работы по биофизике волосковых клеток позвоночных выполнены на клетках внутреннего уха, мало оснований сомневаться, что дан- ные о механизме, продемонстрированном здесь, могут быть перенесены на ра- боту волосковых клеток в других частях организма позвоночного. Волосковые
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 141 Рис. 8.6. Механо-электрохимическая передача в волосковых клетках. (А) стереоци- лии сдвинуты влево, К+/Са2+-каналы открыты. Поток катионов вызывает деполя- ризацию, что приводит к открыванию других Са2+-каналов в кутикулярной плас- тинке и других участках клетки. Поток Са2+ приводит к выделению медиатора на дендрит афферентного нейрона. (Б) Стереоцилия возвращена к положению покоя. Ионные каналы закрываются и клетка реполяризуется. Са2+ откачивается из цито- золя, а выделение медиатора прекращается. клетки эволюционно очень древние и развились во всех классах позвоноч- ных — от бесчелюстных до млекопитающих. У круглоротых с их двумя совре- менными представителями, миксиной Myxine и миногой Lampetra, волоско- вые клетки развились и в каналах боковой линии, и в ухе. 8.2. Каналы боковой линии У костных рыб (Osteichthyes), хрящевых рыб (Chondrichtyes) и водных земно- водных (а также водных личиночных стадий сухопутных земноводных) разви- лись каналы с обеих сторон тела и, особенно, в области головы (см. рис. 8.7 А). Цель этой системы — детектирование вибраций в окружающей воде. Вибра- ции могут возникать в результате возмущений, вызываемых другим водным организмом, или быть отражением от окружающих объектов возмущений, вы- зываемых самой рыбой. Система может, таким образом может рассматривать- ся как примитивная форма эхолокатора. Мы столкнемся в конце этой главы с более развитой формой эхолокации, когда будем рассматривать полет и пище- вое поведение рукокрылых. Рецепторами органа боковой линии являются группы волосковых клеток, окруженных эпителиальными клетками и покрытых желатинозной купулой. В последнюю погружены кончики ресничек волосковых клеток (рис. 8.7 Б). Чувствительные и эпителиальные клетки часто группируются на небольших холмиках. Чувствительные клетки могут образовывать изолированные класте- ры в коже (у круглоротых и земноводных), но чаще обнаруживаются через не- которые промежутки в желобках или каналах головы и тела. Каналы могут представлять собой полностью замкнутые углубления в коже или иметь форму
142 Часть II. Механочувствительность Рис. 8.7. (А) Положение системы органов боковой линии на обобщенном изобра- жении костистой рыбы, бл — боковая линия. (Б) Орган боковой линии: в — сен- сорное волокно, к — купула, вк — волосковая клетка, о — опорная эпителиальная клетка; (В) Взаимосвязь между поверхностным эпителиальным чувствительным органом и каналом боковой линии: (i) изолированный эпителиальный чувстви- тельный орган, (ii) эпителиальный чувствительный орган в «желобке», (iii) эпите- лиальный чувствительный орган в замкнутом канале, (iv) участок замкнутого кана- ла, открытого во внешнюю среду посредством поры. (Г) Продольный срез боковой линии, демонстрирующий взаимное расположение эпителиальных чувствитель- ных органов и пор. Купула — заштрихована пунктиром (на самом деле — просто заштрихована, на рисунке (Г) — сверху. — Перев.), эпителиальные чувствительные органы боковой линии обозначены черным, эпителиальный клетки — заштрихо- ваны (на рисунке (Г) — внизу. — Перев.). По Sand, 1984. открытых желобков. Чем сильнее возможное волнение в водоеме, в котором обитает рыба, тем более защищена система органов боковой линии. Особенно хорошо органы боковой линии развиты у глубоководных рыб. Чувствительные органы боковой линии иннервируются нервом боковой линии (ветвь X череп- номозгового нерва — блуждающего, n. vagus), а в области головы — VII и IX че- репномозговыми нервами. В нервах боковой линии наблюдается спонтанная импульсация от чувстви- тельных органов. Ее частота значительно увеличивается, если вода вблизи ка- нала возмущена. Отведения от нерва боковой линии японского угря показали,
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 143 что в волокнах малого диаметра наблюдается медленно адаптирующиеся отве- ты, а в волокнах большого диаметра — высокочастотные быстро адаптирую- щиеся ответы. Хотя у некоторых рыб активность в нервах боковой линии син- хронна с вибрациями до частот порядка 200 Гц, нет доказательств того, что ры- бы способны различать частоты с помощью этой системы. Возможно, об этой системе следует говорить, как о системе «дистантного» или «водного» осяза- ния, хотя может оказаться, что она выполняет и иные функции, например, де- тектирования температуры. Эволюционные возможности, присущие системе боковой линии, затрагиваются в гл. 20, в которой мы увидим, что у многих ко- стистых и хрящевых рыб она дополнена развитой системой электрорецепто- ров. Эта система развилась из тех же закладок, что и механочувствительная си- стема боковой линии. Эта система, представленная у водных земноводных, в т. ч. водных личи- ночных стадий земноводных, полностью отсутствует у их эволюционных по- томков — пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. Несмотря на то, что многие из них вернулись к водному образу жизни, система боковой линии ни у кого не восстановилась. 8.3. Эволюция уха позвоночных Несомненно, система боковой линии и ухо тесно связаны. У миног впячива- ние на голове быстро изолируется от внешней среды и развивается в две запол- ненных жидкостью трубки под прямым углом друг к другу и две камеры, так- же заполненных жидкостью. Трубки — это полукружные каналы, а камеры — утрикулюс (маточка) и саккулюс (мешочек). Вместе они образуют мембранное преддверие. Многие рассматривают его как специализированный отдел систе- мы боковой линии в голове, а его организация лежит в основе, как показыва- ет рис. 8.8, структуры уха всех позвоночных. Только у крокодилов, а также птиц и млекопитающих, неприметный у рыб вырост саккулюса — лагена (lagaena), претерпевает поразительное развитие и образует собственно улитку (cochlea). Вместе полукружные каналы, утрикулюс, саккулюс и лагена (или улитка птиц и млекопитающих) образуют мембранный лабиринт. 8.3.1. Равновесие Ухо первоначально было органом баланса и равновесия. Детектирование зву- ка, которое принимает самодовлеющие формы в мире млекопитающих, и лю- дей в частности — это позднейшее добавление. Мембранное преддверие оста- лось поразительно неизменным за те полмиллиарда лет, что прошли с возник- новения позвоночных (рис. 8.8). У всех челюстноротых позвоночных добавил- ся еще один полукружный канал, ортогональный тем, которые присутствуют у миноги. Вся система заполнена водным раствором — эндолимфой — и подве- шена в полости уха, где она плавает в другом водном растворе — перилимфе. Эти две жидкости радикально различаются по ионному составу. Тогда как пе- рилимфа напоминает другие внеклеточные жидкости и имеет высокую кон- центрацию Na+ (150 мМ/л) и низкую — К+ (3—4 мМ/л), эндолимфа намного более схожа с внутриклеточной средой, будучи богатой К+ (150 мМ/л) и бед-
Б Рис. 8.8. Эволюция мембранного лабиринта. (А) минога Petromyzon-, (Б) акула Scyllium\ (В) макрель Scomber, (Г) лягушка Rana\ (Д) ящерица Lacerta', (Е) голубь Columba} (Ж) мор- ская свинка Cavia. Для рисунков А, Б, В, Г, Е, Ж: ап — ампула переднего канала, аг — ам- пула горизонтального канала, аз — ампула заднего канала, пвк — передний вертикальный канал, у — проток улитки, сс — crus commune, общая ножка, к — камеры, выстланные рес- ничным эпителием; эп — эндолимфатический проток (ductus endolynphaticus), гк — гори- зонтальный канал, 1 — lagaena, мл — макула улитки lagaena, мн — macula neglecta (макула незаметная), мс — макула саккулюса, му — макула утрикулюса, ко — кортиев орган, ра — papilla amphibiorum, pb — papilla basilaris, звк — задний вентральный канал, с — саккулюс, у — утрикулюс. Для рисунка Д: ппк — передний полукружный канал, pb — papilla basilaris, сс — crus commune, пу — проток улитки, мл — макула улитки lagaena, лпк — латеральный полукружный канал, мн — macula neglecta, сп — слуховой проход, зпк — задний полу- кружный канал, мс — макула саккулюса, у — утрикулюс, му — макула утрикулюса, усп — утрикуло-саккулярный проток. Части рисунка А, Б, В, Г, Е и Ж — из Romer, 1970. Воспро- изводится с разрешения W. В. Saunders Company; часть рисунка Д — из Baird, 1974. Вос- производится с разрешения Springer-Verlag GmbH & Со. KG.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 145 ной Na+ (1—2,5 мМ/л). Выше мы отмечали, обсуждая биофизику волосковых клеток, что ионные потоки в стереоцилии, главным образом, — это потоки К+. Ниже мы увидим, что стереоцилии простираются в эндолимфу, а необычный ионный состав эндолимфы играет ключевую роль в физиологии внутреннего уха. Наконец, отметим, что, хотя лабиринт свободно плавает в полости уха, он подвешен к стенкам полости коллагеновыми волокнами. В большинстве слу- чаев тонкая трубка эндолимфатического протока (ductus endolymphaticus) про- стирается от саккулюса до полости черепа, где оканчивается эндолимфатиче- ским мешком. В стенках у утрикулюса и саккулюса располагаются «пятна», содержащие сенсорные волосковые клетки — макулы саккулюса и утрикулюса. Макула ут- рикулюса лежит в дне компартмента, а макула саккулюса — обычно в верти- кальной плоскости — в стенке камеры (рис. 8.9 А). Макулы иннервированы волокнами, принадлежащими вестибулярному нерву. У рыб есть небольшое удлиннение саккулюса — лагена, тоже содержащее сенсорную макулу. Волос- ковые клетки макул очень похожи на клетки органов боковой линии. Здесь, однако, могут быть выделены 2 типа клеток: амфороподобные клетки типа 1 и цилиндрические клетки типа 2 (рис. 8.9 Б). Как и в органах боковой линии, во- лосковые клетки погружены в желатинозную купулу. В утрикулюсе, саккулю- се и лагене желатинозная купула часто импрегнирована кристаллами СаСО3, образующими отолиты или «слуховые камешки». Отолит саккулюса обычно развивается в наибольшей степени и у многих костистых рыб почти заполняет собой камеру. Форма отолитов у разных видов рыб настолько специфична, что может быть использована для определения вида. Функции утрикулюса и саккулюса достаточно просты — это восприятие линейного ускорения головы. Возможны два случая. В первом голова движет- ся вперед-назад или вверх-вниз — при этом инерция отолитов обеспечивает изгибание стереоцилий волосковых клеток в ту или иную сторону. Во втором случае, когда голова неподвижна, линейное ускорение отолитов, вызванное силой тяжести, заставляет их смещаться вниз относительно волосковых кле- ток. Сила тяжести действует на волосковые клетки в разных направлениях в зависимости от угла наклона головы, и эти различающиеся изгибы детектиру- ются стереоцилиями описанным выше образом. Информация передается в мозг по вестибулярному нерву. Три полукружных канала расположены в трех плоскостях, все они исходят из утрикулюса (рис. 8.8), и в каждом имеется сферическое расширение — ам- пула, через которую они сообщаются с этой камерой. Каналы, как и прочие ча- сти мембранного преддверия, заполнены эндолимфой. Внутри ампул распо- ложены чувствительные участки — гребешки — в которых также присутствуют волосковые клетки. Кончики ресничек последних погружены в большую же- латинозную купулу, которая почти полностью закрывает просвет ампулы, смещаясь подобно двери в метро — в ту и другую сторону. Функция полукружных каналов — это детектирование угловых ускорений головы. Когда голова вращается в любой из трех плоскостей, инерция эндо- лимфы создает некоторую задержку сдвига. Затем взаимодействие ее вязких свойств со стенкой полукружного канала приводит ее в движение, и далее она движется в унисон в содержащей ее структурой. Однако, первичная задержка
146 Часть II. Механочувствительность нервное окончание Рис. 8.9. (А) Расположение волосковых клеток в (i) ут- рикулюсе и (ii) саккулюсе и лагене. (Б) Два типа волос- ковых клеток в макулах и гребнях мембранного лаби- ринта: амфороподобные клетки типа 1 и цилиндри- ческие клетки типа 2. Клет- ки типа 1 окружены чаше- видными нервными окон- чаниями. В правом верхнем углу рисунка — срез через реснички клетки типа 2 по линии А—А. Киноцилия обозначена черным круж- ком. эо — эфферентное нервное окончание, ос — область синапса, нно — не- миелинизированное нерв- ное окончание. Воспро- изводится с разрешения A. J. Benson. движения эндолимфы по отношению к содержащему ее протоку означает, что «дверь» гребешка ампулы открывается. Другими словами, желатинозная купу- ла и погруженные в нее стереоцилии изгибаются, что и запускает импульс в волокнах вестибулярного нерва. Отметьте, что детектируемые угловые ускоре- ния — это не постоянные скорости, которые могут быть вызваны длительным вращением (порядка 20 с). Сенсорная информация от утрикулюса, саккулюса и полукружных каналов интегрируется с информацией, получаемой глазами, от рецепторов мышц, связок и кожи и инициирует рефлексы, поддерживающие нормальную ориен- тацию животного по отношению к вектору силы тяжести и противодействую- щие приложенным внешним ускорениям во всех плоскостях. Большинство из этих рефлексов опосредованы спинным мозгом и стволом головного мозга, кора в них задействована очень в небольшой степени.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 147 8.3.2. Фонорецепция Рыбы Известно, что многие рыбы чувствительны к звуку. Выше мы отмечали, что система боковой линии может быть вовлечена в этот процесс — при неболь- ших частотах. В то же время, в основном в экспериментах по удалению разных отделов, получены данные об участии саккулюса и лагены в восприятии зву- ков высоких частот. У костистых рыб иногда в этот процесс в качестве «гидро- фона» вовлекается плавательный пузырь. У рыбы-белки (Holocentridae), на- пример, плавательный пузырь увеличен настолько, что примыкает к слуховой области черепа. У костнопузырных1 (карп, золотая рыбка, линь, гольян, сом и т. д.) обнаружены еще более сложные адаптации. Три передних позвонка модифицированы в т. н. веберовы (слуховые) косточки. Они сочленяются с плавательным пузырем через направленный кзади заполненный перилимфой сосуд — непарный синус. Синус в свою очередь соединен с поперечным эндо- лимфатическим каналом, связанным с саккулюсом (рис. 8.10). Отолиты сак- Непарный Слуховые Внутреннее ухо Рис. 8.10. Веберовы слуховые косточки. Рисунок показывает горизонтальный срез через переднюю часть тела карпа (Cyprinus carpio). Стрелками показано направле- ние вибраций, передаваемых от плавательного пузыря в саккулюс. Цифрами I, II, III и IV обозначены четыре позвонка, из которых формируются косточки. С изме- нениями из Romer, 1970. кулюса имеют крыловидные расширения, позволяющие детектировать движе- ние эндолимфы в этой камере. Вибрации, уловленные плавательным пузырем, передаются через косточки в перилимфу синуса и далее — через поперечный канал к крыловидным отолитам саккулюса. Эксперименты по выработке ре- флексов показали, что американский сомик-кошка Amiurus способен воспри- нимать частоты до 13 кГц и хорошо различать их (малая терция — 1,2 :1). Уда- ление молоточка (malleus), одной из слуховых косточек, снижает чувствитель- ность прибл. в 100 раз. 1 (Ostariophysi) совр. классификация — надотряд циприноидные (Cyprinomorpha). — Прим, перев.
148 Часть II. Механочувствительность Земноводные У земноводных ухо адаптировано к восприятию изменений давления атмосфе- ры — намного более разреженной среды, чем вода. У бесхвостых амфибий (напр., лягушки) среднее ухо развито таким образом, что изменения давления (звук) передаются от несколько вогнутой барабанной перепонки костным стержнем columella auris камерам мембранного лабиринта. У хвостатых амфи- бий, напр. саламандр, ни columella, ни среднее ухо не развиваются. Это, одна- ко, не означает, что хвостатые глухи. Они реагируют на звук лабиринтом и кожными механорецепторами. Рис. 8.8 показывает, что во внутреннем ухе ла- гена претерпевает некоторое расширение, а у бесхвостых (Anura — лягушки и жабы) присутствует и хорошо развитый базилярный сосочек (papilla basilaris). Эти две части лабиринта, в основном, и ответственны за слух у земноводных1. У лягушек рефлексы вырабатываются на частоты в диапазоне 50—10 000 Гц. Слуховая чувствительность особенно важна в период размножения, когда ква- канье служит для обоих полов призывом в воду. Земноводные, как и все другие наземные четвероногие, распознают на- правление на источник звука. В отличие от млекопитающих, но так же, как у пресмыкающихся и птиц, барабанные перепонки земноводных — это не про- сто детектор давления. У земноводных внутренние полости действуют как ре- зонатор и передают давление через евстахиевы трубы на внутренние поверхно- сти барабанных перепонок. Таким образом, перепонки подвергаются измене- ниям давления и с наружной, и с внутренней стороны. Земноводные (также, как пресмыкающиеся и птицы) могут определять направление звуковых волн по интенсивности и фазе колебаний барабанных перепонок в ответ на волны давления с противоположных сторон. Пресмыкающиеся Именно у пресмыкающихся мы сталкиваемся с закладкой настоящей улитки, которая приобретает такое значение у птиц и млекопитающих. У аллигаторов, например, lagaena, хотя не увеличивается в длине, присоединяется к стенке окружающей ее полости уха, так что образуются три различных канала (рис. 8.11 Б). Параллельно увеличивается базилярный сосочек (рис. 8.11 А). За- чатки этого обнаруживаются и у земноводных, но у рептилий он развит значи- тельно лучше, особенно у крокодилов и аллигаторов, и предназначен для очень важной роли у птиц и млекопитающих. Он состоит из полоски волоско- вых клеток, вырастающей из основной мембраны протока улитки, а начало улитки покрыто непрерывной желатинозной мембраной. Эта текториальная мембрана играет важную роль в восприятии вибраций. Барабанная перепонка часто расположена глубже поверхности тела, так что возникает зачаток наружного слухового прохода, и, как у бесхвостых амфибий, слуховой стержень простирается через камеру среднего уха, проводя вибрации в мембранный лабиринт внутреннего уха. Змеи являются исключением из всех пресмыкающихся, поскольку не имеют ни наружного слухового прохода, ни камеры среднего уха. У них однако имеется слуховой стержень, который при- соединяется к квадратной кости челюстного сустава. Таким образом, змеи не- 1 Главным является амфибиальный сосочек, в книге не упомянутый. — Прим, перев.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 149 капсула Перилимфа Ушная Проток улитки, содержащий эндолимфу Текториальная мембрана Базилярная мембрана ,in Перилимфа Волосковые I11) к клетки Рис. 8.11. (А) Мембранный лабиринт крокодила, ппп — проток переднего полукружного канала; б — базилярный сосочек; сс — crus commune; пу — проток улитки; сп — соеди- нительный проток; му — макула лагены; лпп — проток латерального полукружного ка- нала; пзп — проток заднего полукружного канала; с — саккулюс; tv — tegmentum vasculo- sum (сосудистая покрышка). Из Baird, 1974. Воспроизводится с разрешения Springer- Verlag GmbH & Со. KG. (Б) схема поперечного среза, показывающая формирование трехканального протока улитки у пресмыкающихся, (i) лагена рыб и земноводных сво- бодно плавает (если не считать нескольких коллагеновых лент) в перилимфе, заполняю- щей костный лабиринт, (ii) лагена присоединяется к стенкам костного лабиринта, обра- зуя проток улитки. Реснички волосковых клеток, расположенных на основной мембране, погружены в текториальную мембрану. чувствительны к колебаниям воздуха, но великолепно ощущают колебания почвы. Хотя анатомические данные демонстрируют некоторый эволюционный прогресс пресмыкающихся по отношению к земноводным, мало что свиде- тельствует о лучшем качестве их слуха. Черепахи очень чувствительны к зву- кам в диапазоне 80—130 Гц, аллигаторы реагируют на частоты выше 1000 Гц, ящерицы ощущают колебания частотой до 10 кГц, но нет оснований предпо- лагать, что они способны хорошо различать частоты.
150 Часть II. Механочувствительность Птицы Дело идет к концу, и мы добрались до птиц. Здесь анатомия развивалась уди- вительно сходным образом с тем, что мы обнаружим у млекопитающих (рис. 8.12 А). Улитка значительно удлиняется и приобретает трехканальную структуру, которая впервые возникает, как мы видели выше, у пресмыкаю- щихся. Верхний канал называется вестибулярной лестницей (scala vestibuli), средний — средней лестницей (scala media), а нижняя — барабанной лестницей (scala tympani). Поперечный срез (рис. 8.12 Б) показывает, что базилярный со- сочек опять-таки увеличивается и теперь именуется кортиевым органом. Более детально мы рассмотрим его, когда дойдем до слуховой системы млекопитаю- щих. Ширина базилярной мембраны увеличивается по направлению к ее дис- тальному концу, что предполагает детектирование низкочастотных тонов именно в этом месте. За дальним концом улитки сохраняется макула лагены, которая также участвует в восприятии тонов низкой частоты. Таким образом, кохлеарного нерва Рис. 8.12. (А) Мембранный лабиринт (i) гусиных (гусь Anser) и (ii) воробьиных (дрозд Turdus). Отметьте различия полукружных каналов, саккулюса и протока улитки, ппк, зпк, лпк — полукружные каналы, бс — базилярный сосочек, сс — crus commune, мл — макула улитки lagaena, сп — слуховой канал, с — саккулюс, у — ут- рикулюс. Из Baird, 1974. Воспроизводится с разрешения Springer-Verlag GmbH & Со., KG. (Б) Поперечный срез через канал улитки птицы.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 151 ухо у птиц состоит из трех отделов: наружного слухового прохода, ведущего к барабанной перепонке, среднего уха, пересеченного слуховым стержнем и тремя неправильной формы косточками, и внутреннего уха, содержащего мембранный лабиринт. Большинство птиц, естественно, чрезвычайно чувствительны к звуку, ко- торый играет огромную роль в их социальном поведении. Песни птиц видо- специфичны, причем ясно, что птенцы выучивают ее локальный тип. Выясни- лось, что некоторые из птиц, обитающих в пещерах, используют звуки и для эхолокации (Steatornis — венесуэльский гуахаро, Collacalia — азиатский стриж), однако нет никаких данных, которые бы свидетельствовали о том, что у птиц развита чувствительность к ультразвуковым колебаниям, которая ха- рактерна для летучих мышей. Наконец, чувствительность к направлению зву- ка достигает очень высокого уровня у ночных хищников, таких как совы (см. раздел 9.3). Млекопитающие У млекопитающих слуховая часть уха — улитка — достигает эволюционной вершины. Самый слабый звук, который способен уловить человек, соответст- вует около 0,0001 дин/см2 или прибл. 10“16 Вт/см2. Это соответствует измене- нию давления на барабанной перепонке в 20 мкПа. Диапазон частот, которые способен ощущать человек, простирается от 20 Гц до 20 кГц, хотя с возрастом верхняя граница чувствительности снижается. Тренированное ухо может раз- личать частоты 1000 и 1002 Гц. Такая поразительная способность следствие высокого развития улитки. Как показывает рис. 8.8 Ж, у млекопитающих улитка уже не прямая или слабо изогнутая, как у птиц, а свернута в спираль, похожую по форме на раковину моллюска. Срез ее показан на рис. 8.13 А. Из рисунка видно, что три канала — вестибулярная, средняя и барабанная лест- ницы, с которыми мы впервые встречались у пресмыкающихся, присутствуют и здесь, а рис. 8.13 Б показывает, что базилярный сосочек развивается здесь в сложный кортиев орган. Прежде чем мы сможем обсудить эту сложную тонкую структуру, необхо- димо сделать краткий обзор уха млекопитающих в целом. Рис. 8.14 А показы- вает, что и наружное и среднее ухо претерпели значительное развитие. У мно- гих видов ушная раковина (не показана) велика и достаточно подвижна. Это играет значительную роль в определении направления на источник звука. У людей мышцы, двигающие ушную раковину у других животных, сохраняют- ся в основном в рудиментарной форме. Наружный слуховой проход сравни- тельно длинный и, для предупреждения нежелательных посетителей, покрыт волосами и железами, секретирующими ушную серу. Барабанная перепонка представляет собой границу между наружным и средним ухом. В среднем ухе поддерживается атмосферное давление за счет прохода через евстахиеву трубу, открывающуюся в глотку. Это важно, поскольку барабанная перепонка тонка, и резкое различие давления по обе ее стороны может привести к ее разрыву. Вибрация барабанной перепонки, вызываемая звуком, передается через каме- ру среднего уха слуховыми косточками: молоточком (malleus), наковальней (incus) и стременем (stapes). Эти, ставшие притчей во языцех, самые маленькие
152 Часть II. Механочувствительность Ресничный эпителий-------- Нерв --------------------- Барабанная полость________ Крючок (конец спиральной пластинки) Геликотрема -узкий канал, соединяющий две лестницы Сенсорные волосковые клетки Туннель кортиевой дуги Modilus (костный стержень, вокруг которого сворачиваются ходы улитки) Сосудистая полоска Спиральная связка Спиральный кортиев Костная спиральная пластинка (костная "скорлупа" улитки) Кохлеарный нерв Верхушка улитки, направленная антеро-латерально Каменистая часть височной кости Второй ход улитки Рейснерова мембрана Текториальная мембрана Базилярная мембрана Спиральный ганглий Вестибулярная лестница Средняя лестница Барабанная лестница Первый ход улитки Рейснерова (вестибулярная) мембрана Средняя лестница (канал улитки Лимб Ветвь кохлеарного нерва Костная спиральная пластинка Нервные волокна ------------ Вестибулярная лестница К спиральному ганглию в modiolus Текториальная мембрана------ Внутренняя волосковая клетка Спиральная борозда---------- <8^88 Сосудистая полоска Спиральный выступ Сенсорные волоски Сенсорный туннель Гензеновские клетки Клетки Хенсена Наружные волосковые клетки Клетки Дейтерса Клетки Клаудиуса (наружная поддерживающая клетка) Спиральная связка Базилярная мембрана Внутренний туннель Спиральный проток Кортиева дуга Рис. 8.13. (А) Канал улитки изогнут в форме раковины моллюска. Срез на рисунке прохо- дит вертикально через улитку. (Б) Средняя лестница и кортиев орган — более детально. Из Freeman and Bracegirdle, 1976. Воспроизводится с разрешения Butterworth Heinemann. кости в организме человека прикреплены к стенке камеры среднего уха связка- ми и мышцами. Мышцы, т. tensor tympani, идущая к молоточку, и т. stapedius, идущая к стремечку, сокращаются одновременно в ответ на звуки высокой ин- тенсивности и таким образом защищают тонкие структуры внутреннего уха от повреждающего эффекта избыточной вибрации. Наконец, основание стре- мечка, овальная пластинка (basis stapedius) сочленяется с мембраной, закрыва- ющей овальное окно (fenestra ovalis) круговой связкой. При развитии отоскле- роза эта часть стремени срастается с костным окружением овального окна, что ведет к глухоте. Теперь вернемся к физиологии улитки. Для упрощения рис. 8.14 Б показы- вает улитку, развернутой из спирали в прямую. Мы уже видели, что, когда вол-
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 153 Рис. 8.14. (А) Анатомия уха млекопитающего. (Б) Принципиальная схема улитки, развернутой в прямую. Детальные объяснения в тексте. Из Smith, 1970, с разреше- ния. на атмосферного давления, которую мы воспринимаем как звук, достигает ба- рабанной перепонкой, вибрация передается в овальное окно. Таким образом, мембрана, покрывающая окно, передает изменения давления перилимфе вну- треннего уха. Теперь рассмотрим рис. 8.13 Б и 8.14 Б. Поскольку мембрана, покрывающая овальное окно смещается внутрь, давление в вестибулярной ле- стнице возрастает. Рейснерова мембрана сдвигается вниз, что увеличивает давление в средней лестнице до тех пор, пока оно не компенсируется смеще- нием базилярной мембраны. Возникающее вследствие этого избыточное дав- ление в барабанной лестнице компенсируется изгибанием наружу мембраны, покрывающей круглое окно (fenestra rotunda). Все эти движения, конечно, про- исходят практически мгновенно. Как видно из рис. 8.13 Б, в рассматриваемой системе присутствует еще од- на — текториальная мембрана, опирающаяся на два ряда волосковых клеток. Кончики ресничек погружены в нее, точно также, как в описанном выше слу- чае — в желатинозную купулу. В отличие от рейснеровой и основной, тектори-
154 Часть II. Механочувствительность Рис. 8.15. Сканирующая электронная микрофотография волосковых клеток кортиева органа. Текториальная мембрана удалена, а микроскоп направлен на основную мембра- ну. (А) Три ряда наружных волосковых клеток (отметьте U-образное расположение) и один ряд внутренних волосковых клеток. (Б) стереоцилии внутренних волосковых кле- ток образуют почти прямую линию. (В) Внутренние волосковые клетки при большем увеличением (7500х). (Г) Стереоцилии наружных волосковых клеток меньше и выстрое- ны в форме буквы U. (Д) Стереоцилии наружных волосковых клеток при большем уве- личении (12 500х). (А), (Б) и (Г) из Pickles, 1988; воспроизводится с разрешения Academic Press Ltd. (В) и (Д) — Pickles, личное сообщение, воспроизводится с разрешения.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 155 альная мембрана сравнительно свободно плавает в эндолимфе и следователь- но изменения гидростатического давления влияют на нее в равной степени со всех сторон. Поэтому изменения давления, особенно быстрые изменения, не могут заставить эту мембрану двигаться вверх или вниз, синхронно с другими двумя. Теперь рассмотрим волосковые клетки. Рис. 8.13 Б показывает, что здесь присутствует один ряд внутренних волосковых клеток, отделенных неболь- шим пространством от трех или четырех рядов наружных волосковых клеток. У этих клеток развивается от 50 до 100 стереоцилий, однако, в отличие от уже рассмотренных волосковых клеток, здесь нет киноцилий. На том месте, где можно было бы ожидать присутствия киноцилии, развивается крупная цент- риоль. Вид клетки снаружи показывает, что стереоцилии принимают форму буквы «W» или «U», нижние концы которых направлены к центриоли (рис. 8.15). Кончики стереоцилий погружены в текториальную мембрану, а ос- нования волосковых клеток присоединены в базилярной мембране, где они образуют синаптические контакты с дендритическими окончаниями кохлеар- ного нерва. Интересны эти синапсы волосковых клеток. Рис. 8.16 показывает множе- ство синаптических везикул (вероятно, содержащих глютамат), концентриру- ющихся вокруг электронно-плотного материала, который, как и синаптичес- кие ленты в фоторецепторах позвоночных, служит для организации везикул перед их выбросом. Синапсы содержат различные механизмы в пресинаптиче- ской зоне, обеспечивающие быстрое и эффективное выделение медиатора. Здесь концентрируются Са2+-каналы такого типа, который быстро реагирует на малые изменения потенциала. Это обстоятельство обеспечивает и почти мгновенное прекращение выброса медиатора. Существуют еще два механизма быстрого прекращения выброса медиатора: цитоплазма волосковых клеток — очень жесткий кальциевый буфер, к тому же быстрая реполяризация мембра- ны обеспечивается за счет концентрации Са2+-зависимых К+-каналов. Все эти специализированные механизмы помогают предупредить потерю быстрого ответа на механическую деформацию пучка ресничек в медленном синаптиче- ском механизме в основании волосковых клеток. Между внутренними и наружными волосковыми клетками есть существен- ное различие. Тогда как внутренние волосковые клетки образуют контакты с прибл. десятком афферентных волокон кохлеарного нерва, наружные много менее иннервированы. Около 90% афферентных волокон кохлеарного нерва идет от синаптических окончаний на ряде внутренних волосковых клеток. Рис. 8.16 показывает, что основания волосковых клеток содержат множество синаптических пузырьков (везикул), а также «электронно-плотное тело» (си- наптические ленты) и другие дополнительные структуры. Присутствуют также эфферентные волокна кохлеарного нерва. Рис. 8.16 также показывает, что эти волокна образуют синаптические контакты с дендритными окончаниями аф- ферентных волокон. Из этого можно предположить, что здесь над чувстви- тельностью системы существует контроль обратных связей. Наружные волос- ковые клетки, напротив, бедно иннервированные афферентными волокнами, получают мощную эфферентную иннервацию. Окончания эфферентных во- локон — крупные, заполненные медиаторными везикулами. В информацион-
Часть II. Механочувствительность Информация 8.1 БИОФИЗИКА ВОЛОСКОВЫХ КЛЕТОК УЛИТКИ Мы отмечали, что волосковые клетки улитки подразделяются на два типа: наруж- ные и внутренние (рис. 8.13). Они различаются в разных частях улитки и по разме- рам. У основания улитки морской свинки наружные волосковые клетки имеют длину около 20 мкм'и короткие неэластичные стереоцилии, тогда как на верши- не — 80 мкм с более длинными и гибкими стереоцилиями. Эти различия в длине сказываются не только на их механических, но и электрических свойствах. Показа- но, что на плазматических мембранах волосковых клеток наблюдается спонтанная активность. Частота этих осцилляций варьирует в различных частях улитки. Вбли- зи от круглого окна, у основания улитки, в маленьких неэластичных наружных во- лосковых клетках короткие неэластичные наружные волосковые клетки демонст- рируют быстрые спонтанные осцилляции, дальше в направлении геликотремы бо- лее длинные клетки — более медленные. Существует зависимость между размером клетки и частотой спонтанной электрической активности. Поскольку размеры на- ружных волосковых клеток закономерно изменяются от основания к верхушке улитки, спонтанные осцилляции соответствуют звуковой частоте, на которую наст- роена подлежащая базилярная мембрана. Таким образом, когда поступающий слу- ховой сигнал индуцирует механическую вибрацию основной мембраны, возникаю- щие вследствие открывания и закрывания ионных каналов стереоцилий электрото- нические токи усиливают предсуществующую активность. Это явление известно как электрический резонанс. Волосковая клетка работает как усилитель, повышая чувствительность уха на два порядка. Различия электрического резонанса от основания к верхушке улитки подразу- мевают, что популяция ионных каналов в волосковых клетках также закономер- ным образом меняется от круглого окна к геликотреме. Такое предположение под- тверждается тем фактом, что количество Са2+- и Са2+-зависимых К+ (КСа) каналов уменьшается со снижением характеристической частоты. Исследование улитки цыпленка показало, что каждая из приблизительно 10 000 волосковых клеток обла- дает уникальной популяцией ионных каналов. Причем клетки различаются не только количеством каналов, но и биофизическими характеристиками последних. Прорыв был сделан в молекулярной биологии этой системы. Показано, что различ- ные К+-каналы возникают в результате альтернативного сплайсинга в семи раз- личных сайтах первичных транскриптов. Электрический резонанс — это не только механизм, благодаря которому на- ружные волосковые клетки увеличивают точность настройки. Показано, что эле- ктрический ответ связан с механическим. Деполяризация ведет к укорочению во- лосковой клетки, гиперполяризация имеет противоположный эффект, вызывая удлиннение клетки. В точке максимальной чувствительности такая реакция мо- жет достигать 30 нм/мВ. Механизм трансдукции изменений мембранного потен- циала наружных волосковых клеток в изменения длины до сих пор неизвестен. Однако очевидно, что и это повышает избирательность клетки к частоте звука. Чем выше электрический резонанс, тем больше механическое движение, что ве- дет к увеличению натяжения между стереоцилиями и текториальной мембраной.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 157 Продолжение В свою очередь, это приводит к повышению вероятности открытого состояния ме- ханочувствительных каналов стереоцилий. Полагают, что система может работать и в противоположном направлении. Спонтанные или индуцированные афферен- тами движения волосковых клеток могут вызывать движения основной мембраны и изменения давления в средней лестнице и далее, которые компенсируются дви- жениями барабанной перепонки. Это — т. н. спонтанная отоакустическая эмиссия, которая может быть обнаружена ухом человека и других млекопитающих. Связаны ли эти движения с «звоном в ушах», до сих пор остается предметом противоречий. Литература Crawford А. С. and R. Fettiplace, 1981, «Ап electrical tuning mechanism in turtle cochlear hair cells», Journal of Physiology, 312, 377—412. Holton, T. and A. J. Hudspeth, 1983, «А micromechanical contribution to cochlear tuning and tonotopic oiganisation», Science, 222, 508—510. Rosenblatt К. P. etal., 1997, «Distribution of Ca2+-activated K+ channels isoforms along the tonotopic gradient of the chicken’s cochlea», Neuron, 19, 4061—1075. Santos-Sacchi, J., 1992, «On the frequency limit and phase of outer hair cell motility. Effects of the membrane filter», Journal of Neuroscience, 12, 1906—1916. ном дополнении 8.1 мы увидим, что наружные волосковые клетки обладают сократительной способностью. Вероятно, такая эфферентная иннервация также позволяет мозгу контролировать чувствительность улитки путем изме- нения расстояния между текториальной и базилярной мембранами (мы вер- немся к этому вопросу, когда будем рассматривать физиологию волокон улит- ки в гл. 9). Как и можно было ожидать от такого тонкого и точного механизма, многое в нем может ломаться и приводить к глухоте. С огромным ростом в последние годы знаний о человеческом геноме открыто более сотни «генов глухоты». Они расположены во всех 22 аутосомах, а также в Х-хромосоме. Многие из них свя- заны с другими (не слуховыми) аномалиями, однако, по крайней мере дюжи- на стоят особняком и не являются синдромными, хотя какие-то другие при- знаки и могут быть в конце концов связаны с ними. Конечно, далеко не вся сотня генов ответственна за формирование уха и волосковых клеток. Многие из них в большей степени влияют на развитие центральных отделов слуховой системы, однако те, которые отвечают именно за волосковые клетки, позволя- ют начать формирование генетического понимания этих жизненно важных структур. Это например ген, кодирующий калиевый канал в наружных волос- ковых клетках; гены коннексинов, значительная роль которых в калиевом го- меостазе также показана, и открытый сравнительно недавно ген OTOF в хро- мосоме 2, который кодирует белок отоферлин, экпрессирующийся во внут- ренних волосковых клетках. Существуют доказательства того, что отоферлин вовлечен в выстраивание везикул вдоль синаптических лент, характерных, как мы видели выше, для синапсов волосковых клеток.
158 Часть II. Механочувствительность А Б Рис. 8.16. Иннервация внутрен- них и наружных волосковых кле- ток кортиева органа. Схематичес- кий рисунок показывает аффе- рентные (белые) и эфферентные (черные) волокна. (А) внутренняя волосковая клетка. Эфферентные волокна образуют синаптический контакт с дендритными оконча- ниями афферентных волокон. (Б) Наружная волосковая клетка. Эфферентные волокна образуют синапсы непосредственно на во- лосковой клетке, которая имеет лишь небольшое число синап- сов (показан только один) с сен- сорными (афферентными) волок- нами. Теперь обратим внимание на основную тему данного предмета. Мы виде- ли, что базилярная мембрана колеблется в ответ на поступающий в ухо звук, тогда как текториальная мембрана остается сравнительно неподвижной. Сте- реоцилии волосковых клеток подвергаются механической деформации, при- чем их реснички погружены в богатую К+ эндолимфу. Возникающая деполя- ризация может быть обнаружена с помощью микроэлектродных отведений. Они точно воспроизводят частоту поступающего звука. Это т. н. микрофонные потенциалы. Микрофонные деполяризации (рецепторные потенциалы) ведут к выделению медиаторных веществ на дендритные окончания афферентных волокон кохлеарного нерва. Таким образом, мы видим, что в самой основе потрясающе сложного вну- треннего уха млекопитающих лежат волосковые клетки; конечно, модифици- рованные, но в целом те же самые, что мы впервые встретили в каналах орга- на боковой линии наших водных предшественников. Мы еще увидим, что примерно то же самое можно сказать и о других органах чувств. Молекулярные механизмы, развившиеся в эволюционной истории очень рано, сохраняются, но со временем оказываются встроенными в невероятно сложные и хитроум- ные органы. Одним из эволюционных императивов, который двигал развитием улитки млекопитающих, была необходимость отличать разные частоты звука. Мы видели, что эта способность в небольшой степени присутствует у рыб, зем- новодных и пресмыкающихся; у птиц и млекопитающих она претерпевает огромное развитие. Выше мы упоминали, что частотный диапазон челове- ческого уха лежит между 20 Гц и 20 кГц (с некоторым снижением верхнего предела с возрастом). Мы также отмечали, что в пределах диапазона слыши- мости человек и другие млекопитающие обладают чрезвычайно высокой способностью к различению частот. А потому следующий вопрос — как она достигается?
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 159 Рис. 8.17. Схематическое изо- бражение базилярной мемб- раны. Мембрана распрямле- на. У человека они имеет око- ло 33 мм в длину, а ширина меняется от прибл. 100 мкм у круглого окна до 500 мкм у геликотремы. Дальнейшие объяснения — в тексте. 33 мм 500 мк Может показаться, что у этой проблемы — простое решение. Почему бы кохлеарному нерву не быть фазово-синхронным с приходящей звуковой вол- ной давления? Иными словами, почему бы о тональной частоте 20 Гц не сиг- нализировать нервными импульсами частотой 20 Гц, а о тональной частоте 15 или 20 кГц — импульсами частотой 15 и 20 кГц, соответственно? В таком про- стом решении есть две очевидные трудности. Во-первых, как мы отмечали в гл. 2, частота импульсов в сенсорных нервах обычно сигнализирует об интен- сивности стимула. Нервная система могла бы, конечно, обойти это затрудне- ние, однако, вторая трудность более непреодолима. Биофизика нервных воло- кон такова, что за каждым импульсом следует рефрактерный период длитель- ностью около 2 мс. Из этого вытекает (как мы видели в гл. 2), что одиночное волокно не способно проводить более 500 импульсов в секунду. Т. о., для час- тот выше 500 Гц нужны какие-то иные средства частотной дискриминации. Здесь могут работать два основных механизма. Во-первых, есть данные (см. гл. 9), что кохлеарные волокна могут быть фазо-синхронными звуковым час- тотам рыше 500 Гц, но не реагируя на каждый частотный импульс. То есть предполагается, что в нижней части частотного спектра (ниже 5 кГц) группа волокон кохлеарного нерва объединяется для достижения частоты импульсов, совпадающей с тональной частотой, в каком-то слуховом центре мозга. По по- нятным причинам, такая идея именуется теорией залпа. Второй, значительно более важный механизм основывается на наблюдении, что ширина базиляр- ной мембраны увеличивается от круглого окна к геликотреме (или в случае птиц —к макуле улитки). Ширина базилярной мембраны человека, например, увеличивается с 100 до 500 мкм на расстоянии в 33 мм (рис. 8.17). Герман фон Гельмгольц еще в XIX веке предположил, что базилярную мембрану можно уподобить ряду настроенных камертонов (резонаторов). Тоны высокой часто- ты вызывают максимальные возмущения в области круглого окна, а низкой — у геликотремы. Точные исследования фон Бекеши (von Bekesy) и других в ос- новном подтвердили гипотезу Гельмгольца. Обнаружено, что волны сложной формы двигаются вдоль всей базилярной мембраны, но место, где они дости- гают максимальной амплитуды, как и предположил Гельмгольц, связано с их частотой. Догадка Гельмгольца по очевидным причинам известна как теория
160 Часть II. Механочувствительность места частотной дискриминации. Чтобы различить частоты, мозгу достаточно лишь «посмотреть», из какого места базилярной мембраны происходят волок- на, в которых активность максимальна. В последнее время теория места Гельмгольца была расширена и подкрепле- на обнаружением того факта, что сами по себе волосковые клетки настроены на определенную частоту звука. Такая настройка — результат молекулярной ана- томии и цитологии клетки. Показано, что волосковые клетки и их стереоцилии различаются в размерах и гибкости в разных частях базилярной мембраны. Вблизи от круглого окна стереоцилии малы и сравнительно жестки, тогда как в области геликотремы больше в размерах и гибки. Это вместе со специфической популяцией ионных каналов определяет электрические характеристики данной клетки (см. Информацию 8.1). Каждая волосковая клетка настроена на макси- мальную реакцию в ответ на стимул определенной частоты. Есть и свидетельст- ва того, что настройка клеток находится под контролем обратной связи от улит- ки. Базилярная мембрана и ее волосковые клетки, таким образом, оказываются посложнее клавиш фортепьяно или пластинок ксилофона. Тем не менее, более столетия назад Гельмгольц сумел ухватить суть явления. Сложная электромеха- ническая настройка волосковых клеток с модуляцией через обратные связи на- кладывается на механизм максимального возмущения в специфической части базилярной мембраны, связанной с частотой поступающего звука. Многие млекопитающие чувствительны к звукам намного больших частот, чем способно различить человеческое ухо. Эксперименты по выработке услов- ных рефлексов при воздействии на вибриссы или ушную раковину показали, что многие мелкие млекопитающие чувствительны к звукам частотой до 100 кГц. Слышимый для человека писк мышей и землероек находится в низ- кочастотной части спектра слышимости этих животных. Большая часть соци- альной коммуникации между этими млекопитающими реализуется за преде- лами слышимости для человека. У собак частотная характеристика тоже по- лучше, чем у человека — их верхний предел находится в районе 35 кГц. Это ис- пользуют производители собачьих ультразвуковых свистков. А вот домашние кошки слышат почти, как мы1. Китообразные, с другой стороны, испускают и воспринимают звуки намного более высокочастотные — до 100 кГц. Такие звуки могут использоваться в социальной жизни вида, а у некоторых видов, напр. дельфина (Delphinus), и в эхолокации. Интенсивность и продолжитель- ность эмиссии звука у них возрастает по мере приближения к препятствию или при поиске пищи2. 8.3.3. Сонар летучих мышей Все же настоящими чемпионами в эхолокации являются летучие мыши — два подотряда Microchiroptera и Megachiroptera (крылановые). Существует около 680 видов мелких летучих мышей. Большинство из них — насекомоядные, но есть и плодоядные, а некоторые стали хищниками, питающимися лягушками, ящерицами, рыбами, птицами и мелкими млекопитающими. Три вида — кро- 1 На самом деле — до 40—50 кГц. — Прим. ред. 2 Точнее, возрастает частота, а не интенсивность и длительность. — Прим. ред.
8. Равновесие и слух: функция волосковых клеток 161 вососущие — вампиры (сем. Phyllostomatidae — листоносые). Наиболее инте- ресны с точки зрения изучения слуха насекомоядные виды. Они достигли со- вершенства в сложном искусстве ловли насекомых на лету. Некоторые виды охотятся в открытом небе — выше уровня деревьев, другие специализировались в более сложном, но и более добычливом ремесле охоты на много более много- численных обитателей кроны деревьев. Есть и такие, кто «высматривает» добы- чу в еще более акустически «засоренном» пространстве на почве, среди опав- ших листьев и веточек. Показано, что системы эхолокации видов, охотящихся в различных условиях, адаптированы к их специфическим проблемам. Во всех случаях летучие мыши непрерывно испускают короткие импульсы частотно-модулированных звуков. У ночницы Myotis звуковой импульс, или «щелчок», начинается с частоты 80—90 кГц, которая за пару миллисекунд па- дает до 30—35 кГц. Такие импульсы испускаются со скоростью до 30 в секунду, когда летучая мышь находится в полете, и быстро учащаются при приближе- нии насекомого-жертвы или препятствия. Другие летучие мыши испускают звуки более низких частот, иногда лежащих в пределах слышимости человека. Мы видели (гл. 7), что у бабочек и златоглазок развились защитные механиз- мы подавления эхолокационной системы летучих мышей. Последние, таким образом, не только адаптировались к охоте в различных условиях, но и к обо- ронительной технике насекомых. Здесь, в этой гонке вооружений охотника и жертвы, в механизмах, которые были выработаны в ее ходе, еще много неизве- стного. Мы продолжим обсуждение этой темы в гл. 9. Эхолокация у двух подотрядов летучих мышей, вероятно, развивалась не- зависимо. Исследования на плодоядных крыланах показали, что за исключе- нием одного рода Rousettus (пещерные крыланы), эхолокацией они не пользу- ются. Rousettus издают «щелчки» с более низкой частотой, чем насекомоядные летучие мыши (модуляция от 18 до 10 кГц), а механизм их генерации совер- шенно иной. Крыланы намного больше опираются в своей жизни на зритель- ную информацию, чем по большей части сумеречные и ночные мелкие насе- комоядные летучие мыши. Предполагается, что их происхождение первично по отношению к насекомоядным летучим мышам. Именно у последних ухо достигает вершины развития. Мы увидим в гл. 9, что такие же большие объемы мозга задействованы здесь на звуковую инфор- мацию, как у приматов — на зрительную. Сенсорный мир насекомоядных летучих мышей — это мир слуха. Аналогии между зрительной системой и слуховой системой летучих мышей достаточно глубоки. Например, отдель- ные участки их основной мембраны играют роль, аналогичную роли области фовеа в сетчатке млекопитающих (гл. 9). Похож ли мир летучей мыши, летя- щей через вечерний лес, на мир сокола ясным днем, сейчас вряд ли кто скажет. Это и в будущем останется лишь предположением — «как бы это выглядело для летучей мыши». ** Однако ж приятно закончить главу тем, с чего начали, эхолокацией. Воло- сковые клетки, которые мы впервые встретили в каналах боковой линии рыб, остались поразительно неизменными, но оказались помещенными в сложней- шие структуры внутреннего уха млекопитающих, в данном случае, насекомо- ядных летучих мышей. И вместо того, чтобы реагировать на легкие потоки воды, они это делают в ответ на еще более легкие колебания воздуха.
162 Часть II. Механочувствительность 8.4. Заключение Волосковые клетки позвоночных представляют собой первый пример того, как эволюция, единожды найдя эффективный механорецептор, включает его в огромное множество различных структур, некоторые из которых достигают поразительной сложности. В этой книге мы еще встретимся с модифициро- ванными неподвижными ресничками в других рецепторах органов чувств: обоняния и зрения. Мы уже отмечали, что наружные сегменты многих нейро- сенсорных дендритов насекомых (хотя и не механорецепторных) — это тоже модифицированные неподвижные реснички. Этот общий принцип строения, вероятно, ключ к какой-то общей черте клеточной биологии, которую мы по- ка не сумели распознать. Читая эту главу, мы также увидели, как механочувствительность, первона- чально обращенная на абиотическое окружение, затем сфокусировалась на со- седях по обитаемому миру. Такой же прогресс мы видели в гл. 7, когда рассма- тривали не только акустическую систему насекомых, обеспечивающую ком- муникацию между особями одного вида, а также обнаружение хищника или жертвы, но и осязание. Последнее, как мы видели, также обеспечивает важ- ный канал социальной коммуникации. В данной главе мы заканчивали рас- смотрение боевым сонаром летучих мышей, однако не следует забывать и о колоссальной роли слуха в коммуникации между особями одного вида птиц и млекопитающих. В следующей главе мы займемся именно этим, делая особый упор на звуковую коммуникацию у человека.
9. АНАЛИЗ ВЕСТИБУЛЯРНОЙ И ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В МОЗГЕ Двойная функция уха: равновесие и фонорецепция. Вестибулярный путь: ипсилатеральный вестибулярный комплекс — координация движений и ориентация — нистагм — болезни движения — опьянение. Слуховой путь: кохлеарные волокна — частотные характеристики — кривая частотного порога (КЧП) — латеральное торможение; кохлеарное ядро: основные структуры — звездчатые клетки — кустистые клетки — верхнее оливар- ное ядро — ЕЕ и EI клетки — направление на источник звука; нижний бу- гор четверохолмия; медиальное коленчатое тело. Картирование слухового пространства сипухи (Tyto alba) — слуховые пути — разница интенсивно- сти между ушами и различие по времени — пространственные карты в нижнем бугре, зрительный мост. Слуховая кора млекопитающих: гисто- физиология колонок — триггерные характеристики — подвижная карти- на возбуждения. Слуховая кора летучих мышей: звуковые характеристики пискр — сравнение с звуками человеческой речи — анализ в слуховой ко- ре — отведение от одиночной клетки — Q10dB настройка — детектирова- ние компенсации биений крыльев насекомых самонаведенным доппле- ровским смещением — слуховая область фовеа в улитке — отоакустичес- кая эмиссия — различение текстуры поверхности (цвета эха) — «что зна- чит быть летучей мышью?» Слуховая кора человека: основа человеческой жизни — частотно-модулированные (ЧМ-) звуки — быстрые изменения частоты — эволюция — звуки речи (фонемы) — ЧМ и ПЧ-компоненты — VOT — категориальное восприятие — врожденное восприятие звуков ре- чи — категориальное восприятие у японских макаков — лингвистическое окружение формирует врожденное восприятие речи — коартикуляция — вызов компьютерщикам. Лингвистическая кора: доминирующее полуша- рие — planum temporale — поля Брока и Вернике — gyrus angularis — ар- куатный пучок. Перерезка мозолистого тела: латерализация — левое ана- литическое, правое интегративное — генератор гипотез. Заключение: единство в многообразии; дифференцированность сенсорных качеств В главе 8 мы проследили развитие уха позвоночных. Мы видели, как оно воз- никло в связи с системой uoaudum линии, главным образом как измеритель ус- корений. Любой, кто наблюдал за рыбками в аквариуме или где-нибудь еще, знает, что эти активные животные часто нуждаются в ориентации в отсутствии привязки к горизонту или другим визуальным реперам. По мере эволюции, с возникновением четвероногой наземной фауны, исходные функции сохраня- лись, а у многих форм — в первую очередь у птиц и древесных приматов — ста-
164 Часть II. Механочувствительность новились еще более сложными. Дополнением к исходным функциям были, однако, все возрастающей важности требования к детектированию слабых волн давления водной или воздушной среды, которые мы субъективно вос- принимаем как звук. В этой главе мы проследим, куда направляется информа- ция, полученная ухом, и что с ней происходит. Большая часть интересных во- просов может быть описана на системах, развившихся у беспозвоночных, и ог- раничения объема книги позволяют дать только краткий обзор картирования слуховых зон у сипухи и у млекопитающих. Даже при этих ограничениях мы сконцентрируемся на двух группах млекопитающих. Наибольшее внимание будет посвящено анатомии и физиологии систем человека, а завершим эту тему дополнительными данными о насекомоядных летучих мышах. 9.1. Вестибулярные пути и рефлексы Анатомия вестибулярного пути чрезвычайно сложна (рис. 9.1). Афферентные волокна из гребней полукружных каналов и макул саккулюса и утрикулюса на- правляются в ганглий Скарпы (вестибулярный) вблизи от наружного слухово- го прохода, где располагаются тела нейронов, а затем, после соединения с кох- леарными волокнами образуют вестибуло-кохлеарный нерв, идущий в ипсила- теральный вестибулярный комплекс, расположенный в вентральной части про- долговатого мозга под четвертым мозговым желудочком. Комплекс состоит из четырех важных ядер: латерального (ядра Дейтерса), медиального, верхнего и нисходящего. Здесь же располагается и множество меньших ядер, объединен- ных сложной системой афферентов и эфферентов. Комплекс иннервирован нисходящими волокнами из мозжечка и ретику- лярной формации. Кроме того, каждый комплекс получает иннервацию из контрлатерального комплекса. В некоторых случаях эта контрлатеральная ин- нервация лежит в основе механизма «тяни-толкай» (push-pull). Например, клетки гребешка полукружного канала тоже получают информацию от гре- бешка контрлатерального канала. Ко всему этому, комплекс получает инфор- мацию от глаз и проприоцептивных волокон, восходящих по спинному мозгу. Таким образом, вестибулярный комплекс является чрезвычайно важным цен- тром интеграции информации, касающейся движения и ориентации. Рис. 9.1 показывает, что помимо мощных связей с мозжечком и глазодвигательными ядрами, вестибулярный комплекс посылает волокна в кору головного мозга. Полагают, что они оканчиваются в постцентральной извилине вблизи от ни- жнего конца sulcus intraparietalis. Эпилептическим припадкам, фокус которых располагается в этой области, обычно предшествует аура1, характеризующаяся ощущениями головокружения и дезориентации. Вестибулярный аппарат (как мы видели в гл. 8) отслеживает и стационар- ную ориентацию головы в пространстве (отолиты) и ускорение ее движения (гребни полукружных каналов). Все эти дополняется многочисленными соме- стезическими рецепторами по всему организму (гл. 7). Чтобы устранить поток информации от этих сенсоров, нужно поместить тело в воду или забросить на 1 Аура — один из компонентов эпилептического припадка, характеризующийся наруше- ниями восприятия. — Прим, перев.
9. Анализ вестибулярной и звуковой информации в мозге 165 Рис. 9.1. Основные пути вестибулярной системы. Для простоты показаны только восходящие пути в стволе и высших отде- лах мозга. Дальнейшие объяснения в тексте. орбитальную станцию. В этих условиях вся работа падает на глаза и вестибу- лярный аппарат; если теперь объект еще и ослепить, останется только инфор- мация от мембранного преддверия. Роль информации от полукружных каналов может быть ярко продемонст- рирована, если подопытного усадить на быстро вращающийся крутящийся стул. Глаза в этом случае смещаются в сторону, противоположную вращению, в попытке зафиксировать взглядом неподвижный объект и затем (при потере его из поля зрения) — быстро скачком перемещаются в сторону вращения, чтобы найти другую точку фиксации взгляда. Сходным образом, когда враще- ние внезапно прекращается, глаза продолжают движение в сторону предшест- вовавшего вращения, а затем делают скачок в противоположном направлении. Это внезапное изменение происходит в результате того, что гребни полукруж- ных каналов испытывают воздействие потока эндолимфы, меняющей направ- ление потока на противоположное. Такие характерные движения глаз называ- ются нистагмом. Они обусловлены тремя нейрональными путями от полу- кружных каналов к вестибулярным ядрам, далее к глазодвигательным ядрам (n. abducens) и, наконец, к наружным мышцам глаз (рис. 9.2). Значение вестибуло-глазодвигательного рефлекса может быть ярко проде- монстрировано, если сравнить зрение вращающейся глазной системы с зрени-
166 Часть II. Механочувствительность Движение глаза Левая Правая внутренняя, внутренняя прямая ; прямая мышца ! мышца Движение глаза N. abducens Правая наоужная прямая мышца Левая наружная прямая мышца Направление движения Левый горизонтальный полукружный канал Направление движения Медиальное вестибулярное ядро Правый горизонтальный полукружный канал Рис. 9.2. Некоторые нервные пути, лежащие в основе движений глаз при нистагме. Тела и окончания возбуждающих нейронов обозначены белым; тормозные — черным. Когда голова вращается влево, стимулируются волосковые клетки в ампуле левого горизон- тального полукружного канала. Нервные импульсы следуют в составе вестибулярного нерва в вестибулярное ядро. Отсюда волокна тормозных нейронов (черные) идут в n. abducens. Здесь образуются синапсы с волокнами, идущими к левой латеральной пря- мой мышце (наружная мышца глаза). Эта мыщца, следовательно, тормозится. Второй путь, через контрлатеральное n. abducens и глазодвигательные ядра, возбуждает левую медиальную мышцу. Глаз поворачивается вправо. В то же время импульсы из правого горизонтального полукружного канала ингибируются (волосковые клетки изогнуты в гиперполяризующем направлении). Тормозный интернейрон в контрлатеральном ве- стибулярном ядре ингибируется. Таким образом, активность передается из левого вес- тибулярного ядра в правое n. abducens и к правой прямой мышце, которая сокращается и двигает правый глаз вправо. Рисунок упрощен — показаны только некоторые реци- прокные взаимосвязи. ем, когда голова неподвижна, а окружение — вращается. Детали вращающего- ся окружения очень быстро утрачиваются: при двух оборотах в секунду точка фиксации взгляда расплывается в пятно. Напротив, подопытный, сидящий во вращающемся кресле, несколько утрачивает остроту зрения только при скоро- сти вращения около 10 оборотов в секунду. Глазодви- гательное ядро Латеральное вестибулярное ядро
9. Анализ вестибулярной и звуковой информации в мозге 167 Наконец, стоит сказать несколько слов о болезни движения. Это неприятное ощущение возникает в основном из-за несовпадения сенсорных вводов. В не- которых случаях это несовпадение возникает в самом вестибулярном аппара- те. Если голова теряет нормальную ориентацию и вращается, сигналы от греб- ней полукружных каналов больше не коррелируют с сигналами от отолитов. Другой источник болезней движения — это несовпадение сигналов от глаз и от вестибулярного аппарата. Если в бурном море в каюте глаза сообщают об от- сутствии относительного движения между головой и стенами каюты, тогда как вестибулярный аппарат, напротив, испытывает нагрузку, наблюдаются симп- томы «морской болезни». Стоит также упомянуть, что избыточное потребле- ние алкоголя также ведет к опасной потери ориентации. Это происходит вследствие того, что этанол меняет специфическую плотность эндолимфы, так что купула может теперь ощущать силу тяжести и, следовательно, посылать необычные сигналы в центральную вестибулярную систему. 9.2. Слуховой путь Мы видели в главе 8, что около 90% афферентных кохлеарных волокон идут от синапсов с внутренними волосковыми клетками. Кохлеарные волокна идут через спиральный ганглий (см. рис. 8.13), где лежат тела их нейронов, а затем в кохлеарное ядро. Отсюда волокна следующих нейронов передают слуховую информацию через ядра в ствол мозга, средний мозг, таламус и слуховую кору в височной области переднего мозга (см. рис. 9.3). Как показано на рис. 9.3, слуховой путь, в отличие от соместезического и зрительного, но сходно с вестибулярным путем, проходит через множество подкорковых ядер, прежде чем достигает коры мозга. Число таких ядер зави- сит от того, склонен ли исследователь «объединять» или «разделять» — неко- торые анатомы признают здесь наличие лишь четырех ядер, тогда как дру- гие — до 50 с каждой стороны. Эти ядра нельзя рассматривать как простые распределительные коробки на пути к коре мозга. Во многих случаях они ин- тегрируют информацию, направляющуюся к ним от разных источников, ана- лизируют ее и выделяют характеристические черты. Действительно, уже давно известно, что для различения физических характеристик звука слуховая кора не необходима — эта функция выполняется подкорковой системой. Слуховая кора, как мы увидим в разделе 9.4, связана с восприятием специфических черт окружающей звуковой среды. Теперь рассмотрим слуховой путь несколько более детально: кохлеарные волокна, кохлеарные ядра, ядра верхней оливы, нижние бугры четверохолмия, медиальное ядро коленчатого тела, наконец, слуховая кора. Кохлеарные волокна Как и в сенсорных волокнах большинства других систем, здесь присутствует определенный уровень фоновой активности, на который накладываются зал- пы активности, когда улитка стимулируется. Эта вызванная активность с тече- нием времени адаптируется. В гл. 8 мы обсуждали «теорию места» в частотной дискриминации, из которой следует, что волокна, берущие начало в опреде-
168 Часть II. Механочувствительность Рис. 9.3. Слуховой путь. Основные пути из левой улитки. ДКЯ — дорзальное кох- леарное ядро; КО — кортиев орган; СГ — спиральный ганглий; ВКЯ — вентраль- ное кохлеарное ядро. Дальнейшие объяснения в тексте. ленных участках улитки, максимально чувствительны к специфической часто- те звука. Частота, к которой волокно наиболее чувствительно, именуется ха- рактеристической частотой (ХЧ). Рис. 9.4 также показывает, что с увеличением интенсивности звука, диапазон частот, на которые отвечает данное волокно, также сильно возрастает. Этого следовало ожидать, исходя из физики базиляр- ной мембраны. Надо напомнить, что волна сложной формы движется вдоль мембраны, достигая пика при резонансной частоте. Диапазон частот, на кото- рые реагирует волокно при росте интенсивности звука, называется зоной реак- ции на частоту. Она может рассматриваться и как рецептивное поле волокна. Границы рецептивных полей или зон реакции на частоты описываются кри- вой частотного порога (КЧП) или частотной настроечной кривой. Форма КЧП, приведенная на рис. 9.4, характерна для такого рода кривых. Ее основной чертой является резкий спад со стороны высоких частот. Крутиз- на этого спада больше, чем можно было бы ожидать, исходя из существующих данных измерений формы звуковых волн в базилярной мембране. Исходя из этого было сделано предположение о существовании в улитке механизма «вто- рого фильтра». Возможно, за такую крутизну характеристик ответственен ак- тивный характер волосковых клеток, особенно наружных (подраздел 8.3.2; Информация 8.1).
9. Анализ вестибулярной и звуковой информации в мозге 169 Рис. 9.4. Зона реакции на часто- ту одиночного волокна слухо- вого нерва. Тон фиксирован- ной интенсивности (в дБ) по- степенно меняется по частоте. По мере снижения уровня ин- тенсивности звука (дБ) ответ становится все более сфокуси- рованным, пока не достигается частота, к которой волокно на- иболее чувствительно (ХЧ — характеристическая частота). В данном случае это 10 кГц. Граница зоны реакции на час- тоту известна как кривая час- тотного порога (КЧП). Из Evans, 1972, воспроизводится с разрешения. Еще одной чертой кохлеарных волокон, которую мы встречали в других сенсорных системах, — это определенный вид латерального торможения. По- казано, что ответ кохлеарного волокна на тон данной частоты может быть ин- гибирован другим тоном, близким по частоте. Далее мы увидим, что латераль- ное торможение играет роль и на более высоких уровнях слуховой системы. Фундаментальное значение этого механизма для других сенсорных систем мы оценим в частях III и IV данной книги. Рис. 9.5. Связь ответа одиноч- ного кохлеарного волокна на тон частотой 300 Гц с фазой звукового импульса. (А) Вид- но, что спайковые ответа сов- падают по фазе со звуковым сигналом. (Б) Связь с фазой может стать более очевидной, если построить гистограмму числа спайков в зависимости от сегмента осциллирующей волны. Из Evans, 1972 и 1982; с разрешения. WVWWWVWVWb^. Форма волны стимула (0,3 кГц)
170 Часть II. Мехайочувствительность В гл. 8 мы упоминали, что в области низких частот (ниже 5 кГц) частотная дискриминация достигается синхронизацией частоты поступающего звука с частотой импульсов в одиночном волокне или группе нервных волокон. Это предположение назвали «теорией залпа». Электрофизиологические отведения от одиночных кохлеарных волокон подтвердили эту теорию. Рис. 9.5 А пока- зывает импульсацию в одиночном кохлеарном волокне в фазе с полупериодом звуковой частоты. Более четко это демонстрируется, если построить гисто- грамму (рис. 9.5 Б). В заключение стоит упомянуть реакцию кохлеарных волокон на «щелч- ки» — такой стимул имеет малую длительность, но охватывает широкую поло- су частот. Поэтому, при достаточной интенсивности стимула, практически все кохлеарные волокна генерируют импульсы. Кохлеарное ядро Рис. 9.6 показывает, что кохлеарное ядро подразделяется на дорзальное и вен- тральные. Волокна кохлеарного нерва входят в вентральное ядро посредине, деля его на переднее вентральное и заднее вентральное. Таким образом, ядро имеет в целом три отдела: дорзальный, передний вентральный и задний вентраль- ный. Кохлеарные волокна входят в области соединения двух последних и там же ветвятся, иннервируя все три отдела. Взаимосвязи кохлеарных волокон в каждом из трех отделов сохраняются точно, так что во всех них образуется карта базилярной мембраны. Т. е. ядро имеет тонотопическую или кохлеотопическую организацию. Микроскопическое исследование кохлеарного ядра показало присутствие в них множества различных типов клеток: глобулярных, пирамидальных, ги- гантских, сферических, мультиполярных (звездчатых) и т. д. Микроэлектрод- ные отведения от этих клеток показывают, что их ответы на афферентацию из кохлеарного нерва существенно различаются. Электрические ответы боль- шинства малых глобулярных клеток схожи с ответами волокон кохлеарного Пирамидальная нерв клетка Рис. 9.6. Анатомия кохлеар- ного ядра. ПВКЯ — переднее вентральное кохлеарное яд- ро; ДКЯ — дорзальное кохле- арное ядро; ЗВКЯ — заднее вентральное кохлеарное яд- ро. Дальнейшие объяснения в тексте.
9. Анализ вестибулярной и звуковой информации в мозге 171 нерва. С другой стороны, звездчатые клетки отвечают на постоянный стимул регулярной серией импульсов и, вследствие этого иногда именуются клетками- прерывателями (chopper cells). Частота ответа этих клеток варьирует. Вероятно, эти клетки передают информацию о частотных компонентах звука до уровня прибл. 800 гЦ. Напротив, кустистые клетки, чье дендритное дерево широко рас- пространяется по заднему вентральному ядру, отвечают только на включение сигнала. Этот ответ, как мы увидим, вероятно, важен в локализации звука. В клетках дорзального ядра обнаруживается более сложные ответы, здесь, оче- видно, присутствует латеральное торможение. Одиночный тон может иногда уменьшить или полностью устранить активность в клетке. Вероятно, этот меха- низм улучшает частотную дискриминацию двух сходных тонов и может повы- шать чувствительность к частотной модуляции в одном направлении больше, чем в другом. Здесь, как мы увидим далее, существует строгая аналогия с теми формами обработки информации, которые имеют место в сетчатке. Верхние ядра оливы Эта группа ядер находится в вентральной части варолиева моста. Это первые ядра, которые получают афферентацию от обоих ушей. Таким образом, они важны для корреляции афферентов с двух сторон и следовательно локализа- ции источника звука. Здесь обнаружены три физиологических типа клеток, два из которых отвечают на частоты, выше 1 кГц, и один — ниже 1 кГц. Рас- смотрим их по порядку. Первый тип, клетки Е-Е, отвечает на сходные вариа- ции интенсивности звука в обоих ушах. Второй тип, клетки Е-I, отвечает на различие интенсивности звука в ушах. Это, в зависимости от «затенения от звука» головой или ушной раковиной, оказывается существенным для опреде- ления направления на источник звука. Третий тип клеток, чувствительный к звуковым частотам ниже 1 кГц, детектирует временную задержку между сигна- лами, приходящими от обоих ушей. Некоторые из этих клеток, т. н. клетки критической задержки, отвечают импульсами только на очень специфические величины задержки, порядка 150 или 200 мкс. Вместе все эти клетки способны определять горизонтальное направление на источник звука. Способность распознавать направление на источник звука, конечно, имеет для всех животных огромное значение, поскольку дает им возможность обнару- живать хищников, жертв или половых партнеров и т. д. У многих млекопитаю- щих — огромные и очень подвижные ушные раковины, которые также участву- ют в локализации и