Всем известны пять основных органов чувств, с помощью которых мы получаем информацию об окружающем мире – это зрение, слух, обоняние, осязание и ощущение вкуса. Существует ещё и шестое чувство, без которого невозможно существование, и оно не относится к чему-либо сверхъестественному. Проприоцепция (от латинских слов – собственное восприятие) обеспечивает ощущение тела и его частей в пространстве, перемещения в нём, и той силы, которая требуется для того, чтобы оставаться в определённом положении или для совершения какого-то действия. И в отличие от других чувств, которые можно отключить – закрыть глаза и уши и не видеть света, не слышать звуков, проприорецепцию отключить нельзя.
Кстати, сам термин проприорецепция был впервые введён Чарльзом Скоттом Шеррингтоном, первооткрывателем синапсов и лауреатом Нобелевской премии в области физиологии и медицины 1932 года. Проприорецепция обеспечивается специальными рецепторами, расположенными в мышцах, связках и суставах нашего организма. Без их нормальной работы невозможно было бы, к примеру, с закрытыми глазами дотронуться пальцем до носа на приёме у невролога или сохранять равновесие. И, несмотря на то, что сама проприорецепция была достаточно детально описана ещё столетие назад, открытие структуры рецепторов, обеспечивающих перевод механических воздействий в тканях в электрические импульсы, произошло только в 2010 году, а спустя 11 лет за этот вклад в науку учёные из США – Ардем Патапутян и Дэвид Джулиус были награждены Нобелевской премией по физиологии и медицине. Загадочными рецепторами оказались белки Piezo1 и Piezo2, представляющие собой трёхлопастную пропеллероподобную конструкцию, действующую по рычажно-механическому принципу. В центре располагается модуль поры, проводящий ионы, а по периферии его окружают три лопасти пропеллера, функционирующие в качестве модуля механотрансдукции для преобразования механических стимулов в катионные токи.
В своей ежедневной деятельности мы не замечаем импульсов, поступающих от наших мышц, связок и суставов. Также мимо нашего сознания проходит и информация о положении тела, тонусе той или иной группы мышц. Мы не думаем о силе, которую необходимо приложить, чтобы поднять чашку или взять карандаш со стола. Всё это миллионы сигналов, постоянно идущих от механорецепторов в головной мозг. И тем не менее, несмотря на этот огромный поток входящих данных, они не перегружают наш нейрокомпьютер.
Во время работы, ходьбы, бега или игры человек не отвлекается на постановку ног, тонус мышц спины, а при печати на клавиатуре – на силу давления на клавиши, сосредотачиваясь только на важные входящие зрительные или слуховые сигналы из окружающей среды. Мозг эффективно производит фильтрацию, чтобы мы могли сконцентрироваться на релевантных деталях (которые сами считаем важными) и игнорировать отвлекающие факторы.
Механизм, лежащий в основе этого процесса, оставался загадкой. И совсем недавно группа американских учёных из Института биологических исследований Солка в Ла-Хойе в Калифорнии, Чикагского и Северо-Западного университетов, смогла найти ответ на этот вопрос. В ходе нескольких исследований Эйман Азим, Слиман Бенсмайя, Ли Миллер и Крис Верстиг обнаружили, что за это отвечает небольшая структура внизу ствола головного мозга – клиновидное ядро (nucleus cuneatus), появившаяся в процессе эволюции у самых разных млекопитающих, включая мышей и приматов. Как оказалось, именно она играет определяющую роль в выборе мозгом сенсорных сигналов. И решающее значение в этом открытии принадлежит не научному чутью и усердию исследователей (хотя, безусловно, без этих качеств ему не суждено было бы случиться), главную роль сыграло появление новых методик нейрофизиологических исследований. Дело в том, что клиновидное ядро весьма мало́ и располагается на очень гибком месте соединения головы и шеи, и движения подопытного животного могут затруднить доступ. Что ещё хуже, клиновидное ядро, расположенное в стволе мозга, окружено жизненно важными структурами, повреждение которых может привести к гибели. И лишь совсем недавно с появлением новых нейробиологических методов стало возможным стабильно наблюдать электрические процессы в nucleus cuneatus у бодрствующих животных без риска вреда близлежащим областям. Учёные имплантировали обезьянам микроэлектроды, с помощью которых проводили мониторинг отдельных нейронов этой структуры. Впервые удалось изучить, как изолированные клетки клиновидного ядра реагируют, когда животное прикасается к предметам или движется.
Прежде всего следует рассмотреть физиологический механизм работы соматоощущений. При движении или прикосновении к чему-либо активируются специализированные механорецепторы в коже и мышцах. Сгенерированные ими электрохимические сигналы передаются в спинной, а затем и в головной мозг по соответствующим нервным волокнам. Мозг, обрабатывая полученную информацию, отслеживает движения, позу тела, его местоположение, силу и длительность контакта с окружающими предметами. Предшествующие эксперименты продемонстрировали, что сознательный опыт нашего тела и его взаимодействия с объектами основывается на сигналах, достигающих самого внешнего слоя коры головного мозга. Исследователи давно предполагали, что клиновидное ядро является одним из основных областей, функцией которого служит избирательное проведение и усиление сенсорных сигналов, но также считали, что эта структура является лишь пассивной ретрансляционной станцией, передающей сигналы от тела к коре головного мозга.
Азим, Бенсмайя, Миллер и Верстиг поставили под сомнение наличие в мозге целой структуры, играющей роль лишь проводника и по сути не обладающей своими собственными функциями. Они изучили реакцию отдельных нейронов nucleus cuneatus на сигналы прикосновения, подвергая кожу обезьян воздействию многих видов стимулов, включая вибрации и рельефные точечные узоры, подобные шрифту Брайля. Затем исследователи сравнили реакцию этой области с активностью исходящих из неё нервных волокон. Оказалось, что они не совпадают. Нейроны клиновидного ядра не просто передают свои входные данные, а преобразуют их, демонстрируя паттерны активности, которые были больше похожи на образы мозаики активности нейронов коры головного мозга, чем нервных волокон.
Во втором исследовании учёные наблюдали активность клиновидного ядра, когда обезьяны самостоятельно тянулись к цели, и сравнивали эти сигналы с сигналами, генерируемыми, когда аналогичным образом лапу обезьян пассивно перемещали с помощью манипулятора. Была обнаружена разница в активности клиновидных нейронов в зависимости от того, были ли эти движения произвольными или непроизвольными: многие сигналы от мышц усиливались в клиновидном ядре, когда обезьяна самостоятельно двигала лапой, по сравнению с тем, когда её перемещали пассивно.
Таким образом, было установлено, что обработка сигналов, поступающих от тела, начинается уже клиновидном ядре. Далее необходимо было выяснить, какие именно клетки и пути мозга позволяют nucleus cuneatus избирательно усиливать сигналы, расценивающиеся как релевантные и подавлять те, что считаются несущественными.
Третий эксперимент учёные проводили на мышах, используя генетические и вирусные методики. Включая и выключая лазер, они манипулировали определёнными типами клеток, а затем объединили эти методы с поведенческими задачами. Обучая мышей тянуть верёвку или реагировать на различные текстуры за вознаграждение, исследовали проверяли, как активация или инактивация определённых нейронов влияет на способность мыши выполнять задачи. Это позволило изучить функции клеток внутри клиновидного ядра, установив особый набор нейронов, которые подавляют или усиливают прохождение сенсорных сигналов. Затем аналогичные методы были использованы для того, чтобы установить, как высшие области мозга могут влиять на активность nucleus cuneatus. Было обнаружено два разных пути от коры до клиновидного ядра, определяющие, какой объём информации пропускать. Иными словами, клиновидное ядро получает не только информацию от тела, но и директивы от коры головного мозга, помогающие определить, какие сигналы наиболее важны в конкретный момент времени.
Эти исследования показали, что клиновидное ядро представляет собой не просто проводник сигналов «снизу вверх» и «сверху вниз», а является активной структурой – фильтром, осуществляющим функцию выделения одних сигналов и подавления других с последующей их передачей в области мозга, отвечающие за восприятие, двигательный контроль и высшие когнитивные функции.
Клиновидное ядро получает большое количество «спящих» входных сигналов, которые, по мнению Азима и его коллег, могут быть важны для использования в практической медицине. Результаты, полученные в ходе их исследований, уже сегодня могут иметь важное значение для реабилитации пациентов. Миллионы людей во всём мире имеют ту или иную форму дисфункции конечностей, например, потерю чувствительности или паралич. Лучше понимая, как сенсорные и моторные сигналы поддерживают движение, врачи смогут в конечном итоге усовершенствовать диагностику и лечение этих состояний. Например, в перспективе, имплантированные электроды обеспечат электрическую активацию клиновидного ядра у людей, потерявших чувствительность в конечностях, восстанавливая способность к восприятию своего тела. Помимо этого, новые данные о наличии «активного фильтра информации» помогут приблизиться к разгадке функционирования мозга и приступить к моделированию и созданию искусственных нейронных сетей на его основе.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также публикации по теме «Загадки мозга»:
