В. Гриневич,
доктор медицинских наук
Наука и жизнь» №5, 2006
Для восприятия внешнего мира человеку и животным даны органы чувств. Органы осязания, или тактильные анализаторы, — самые эволюционно древние из них. Анализаторы представляют собой нервные окончания, расположенные в кожных покровах, а также в основании волос и усов. У приматов и человека тактильный анализатор находится на подушечках пальцев, а у грызунов — в основании усов (вибрисс). Исследователи из Института Макса Планка (Гейдельберг, Германия), в числе которых был и автор этой статьи, обнаружили, что движения усов у грызунов, как и тонкие движения пальцев рук у приматов, напрямую управляются корой больших полушарий мозга. Так впервые получили доказательство анатомического и функционального «родства» усов и пальцев.
И человек, и животные познают окружающий мир через специальные анализаторы: зрительный, слуховой, обонятельный и тактильный (осязательный). У человека доминирует зрительный анализатор, у большинства хищных — обонятельный и слуховой, а у грызунов — тактильный и обонятельный. Все эти информационные каналы необходимы мозгу для создания картины внешнего мира. У позвоночных животных (от примитивных рыб до человека) самым эволюционно древним является чувство осязания. Тактильные анализаторы расположены в коже, зубной ткани и волосяных луковицах. Они представляют собой нервные окончания как свободные, так и заключенные в капсулу (так называемые тельца Фатер-Пачини и Меркеля). У приматов нервные окончания концентрируются на подушечках пальцев, а у грызунов они сосредоточены в волосяных сумках, из которых произрастают усы (вибриссы).
Информация от тактильных анализаторов передается по восходящим чувствительным путям в мозг, где она воспринимается таламусом, который еще называют зрительным бугром. Из таламуса сигнал поступает в кору (серое вещество) больших полушарий мозга, а именно — в ее заднюю центральную извилину, или чувствительную кору. Чувствительная кора построена из колонок или баррелей, состоящих из сотен нейронов, к которым подходят нервные волокна от таламуса и других отделов коры. Таким путем чувствительная кора «узнает» о том, что происходит во внешней среде, а ее отдельные участки обмениваются информацией с другими отделами чувствительной коры. Так она передает импульсы в двигательную кору, которая и посылает сигналы мышцам.
Передача нервных импульсов от центральной нервной системы к мышцам у большинства животных происходит в несколько этапов, и в ней задействовано множество промежуточных нейронов. И только у человека и других приматов есть прямые пути передачи сигнала: мотонейроны коры простирают свои аксоны прямо до моторных нейронов передних рогов спинного мозга, которые непосредственно управляют движениями рук и особенно пальцев. Этот путь называется кортикоспинальным (или пирамидным), и он характерен только для высших обезьян. Например, у беличьей обезьяны таких прямых каналов передачи сигнала практически нет, и пальцами она владеет плохо.
Описанный путь передачи нервного импульса из коры головного мозга к мышцам — не единственный. Кора у высших обезьян и человека также напрямую контролирует движения языка и мышц вокруг рта. Благодаря этим каналам передачи сигнала мимика приматов разнообразна, а артикуляция очень сложна. Без прямого управления мышцами языка невозможно было бы появление человеческой речи.
Кортикоспинальный путь (а следовательно, и мелкая моторика пальцев) не врожденный, он формируется в процессе индивидуального развития. У высших обезьян это происходит к концу первого года жизни. Поражение кортикоспинального пути при травме, опухолях или инсульте приводит в первую очередь к грубым нарушениям тонких движений пальцев.
В животном мире движения, которые по сложности сравнимы с мелкой моторикой пальцев приматов, встречаются, пожалуй, только у грызунов. Но познают они мир не пальцами, а усами, или вибриссами. С их помощью грызуны «ощупывают» предметы, определяют их размер и фактуру, создают пространственный образ. В обычном состоянии у бодрствующего животного вибриссы двигаются быстро и синхронно. Но как только зверек приступает к изучению окружающего мира, вибриссы начинают двигаться в разных направлениях. Сложные единичные движения вибрисс можно вызвать и экспериментально, электрически стимулируя отдельные нейроны моторной коры животных.
Наша исследовательская группа из Института Макса Планка задалась вопросом: а что если сложные движения вибрисс, как и мелкая моторика пальцев, напрямую контролируются корой больших полушарий? Как ни странно, ответить на него нам помогли вирусы, а точнее — лентивирусы.
Лентивирусы — это группа ретровирусов, наиболее известный среди которых ВИЧ. Геном любого ретровируса представляет собой одноцепочечную молекулу РНК. В живой клетке РНК ретровируса превращается в двухцепочечную ДНК, способную встраиваться в геном других клеток. Инфицированная вирусом клетка фактически начинает работать как конвейер для сборки новых вирусов: вирусная ДНК снова производит вирусную РНК и белки оболочки, которые «комплектуются» в вирусы. Исследователи научились менять геном лентивируса таким образом, что новые вирусы в зараженной клетке не образуются. В результате единожды инфицированная клетка несет в себе геном лентивируса, не передавая его другим клеткам.
Чтобы узнать, как далеко простираются отростки нервных клеток коры головного мозга крыс, нейроны решили «пометить» зеленым флуоресцирующим белком экворином. Этот белок впервые выделила группа американских и японских исследователей из медузы Aequorea в 1962 году. В солнечном свете раствор экворина выглядит слабо-зеленым, а в ультрафиолете становится ярко-зеленым. Но как «покрасить» нейроны экворином? Мы решили эту задачу следующим образом: инфицировали нейроны моторной коры измененным лентивирусом, не способным к производству новых вирусов, а в геном лентивируса встроили чужеродную последовательность РНК, которая кодировала синтез экворина.
С помощью лентивируса в живой клетке РНК экворина превращается в ДНК, то есть в ген этого белка, встроенный в геном клетки хозяина. Клетка начинает синтезировать чужеродный флуоресцирующий белок. Экворин накапливается внутри клетки, не нарушая ее жизнедеятельности. В результате содержимое инфицированных нейронов, включая отростки, постепенно окрашивается в зеленый цвет. Таким образом, чтобы увидеть нервную клетку, достаточно посмотреть на мозг (или его срезы) в ультрафиолетовом освещении.
Итак, спустя месяц после инъекции вируса мозг крыс сфотографировали в ультрафиолетовом свете. Самые длинные из окрашенных отростков — аксоны обнаружили на значительном удалении от клеточных тел моторных нейронов коры — на расстоянии до 2 см. Это огромное расстояние для головного мозга крысы, длина которого не превышает 4 см. А некоторые окрашенные окончания отростков моторных нейронов коры головного мозга были обнаружены в непосредственной близости от клеток ядра лицевого нерва! Эта удивительная находка позволила нам с уверенностью сказать, что кора головного мозга напрямую управляет движениями вибрисс. Ведь крупные нейроны, сосредоточенные в самой краевой части лицевого ядра, управляют исключительно мышцами усов.
Так что мышки не просто шевелят усами — они ощупывают ими предметы, испытывая ощущения, похожие на те, что осязает человек, трогающий предметы руками. Трудно сказать наверняка, почему у грызунов в ходе эволюции сформировался такой уникальный орган осязания, можно только строить предположения. В большинстве своем грызуны — туннельные животные, проводящие основное время в норах под землей. Возможно, вибриссы были отобраны в процессе эволюции как наиболее удобный орган осязания в условиях ограниченного пространства.
Усы- для красы?
Кто ни любовался усатой кошачьей мордой? Деревенские жители считают: чем длиннее у кошки усы, тем лучше она ловит мышей. И в этом есть доля правды, так как усы не только украшают кошачью (собачью, кроличью, крысиную...) физиономию, но и являются органом чувств. Специальные длинные волоски - вибриссы (от латинского vibrare - дрожать) располагаются на подушечках вокруг рта, над глазами, на "родинке" на щеке.
Основание вибриссы лежит в кожаном мешочке - фолликуле, где располагаются специализированные клетки, воспринимающие смещение и давление, - механорецепторы, опутанные тончайшими нервными волоконцами. Дрожание вибриссы обеспечивается мышечным волокном, которое формирует петлю вокруг мешочка. О любом изменении положения волоса сигнал передается по нервному волокну в центральную нервную систему. В центральной нервной системе сигнал доходит до коры больших полушарий головного мозга. В коре головного мозга и животных, и человека существует "карта тела", на которой представлена вся поверхность тела, причем представительство различных его частей неодинаково по размером. Наиболее чувствительные его части, например, кончики пальцев, лицо, область рта и язык занимают большую площадь в мозговой "карте тела", а кожа спины, ног меньшую. Каждая из 33-х длинных и множества коротких вибрисс, расположенных на морде животного, имеют свое представительство в "карте тела" в виде комплекса нервных клеток, который называется "бочонком". Если у новорожденного котенка полностью удалить вибриссы, нервные клетки соответствующих бочонков погибнут, а их место займут клетки соседних бочонков, вибриссы которых не пострадали. Карта тела изменится, но будет соответствовать реальной поверхности морды котенка.
Ученые исследовали биохимические процессы в мозге с помощью веществ, меченных радиоактивными ионами. Было обнаружено, что удаление вибрисс у взрослой кошки (тримминг) вызывает биохимические нарушения в бочонках и на некоторое время меняет поведение животного, угнетает его психику. Резкое подергивание за вибриссы вызывает неприятные ощущения у животного и нарушает потребление глюкозы клетками бочонка на несколько часов.
Изучать работу нервных клеток можно, регистрируя на специальной аппаратуре электрические сигналы этих клеток. Ученые установили, что нервные клетки бочонка изменяют частоту своих разрядов в соответствии с изменением скорости, амплитуды и направления движения вибрисс. Анализ информации, получаемой центральной нервной системой с помощью вибрисс, позволяет животным хорошо ориентироваться в темноте, в узких норах и ходах.
Чтобы исследовать работу вибрисс, ученые придумали сложный эксперимент. Они сначала приучили крыс носить непрозрачные очки. Затем научили этих животных различать с помощью вибрисс покрытие двух дорожек, ведущих к кормушкам. Одно покрытие было гладким, другое шершавым. Шершавость дорожки обеспечивалась выемками очень маленького размера. Крыса, лишенная зрения с помощью непрозрачных очков, подходила к дорожке и направляла вибриссы к покрытию. Часть крыс кормили в конце гладкой дорожки, а часть крыс - в конце шершавой. Обследовав обе дорожки вибриссами, крыса выбирала ту, которая всегда приводила ее к пище. Во время опыта крысу снимали видеокамерой. Анализ видеозаписи крысы, обследующей дорожку, показал, что ее вибриссы касаются покрытия своей изогнутой частью (не кончиком), совершая очень быстрые движения (дрожания) к покрытию и обратно до 20-ти раз в секунду. Этих движений и касаний дорожки достаточно для определения качества поверхности. Крысы с помощью вибрисс могут различать даже наждачную бумагу разных номеров.
Вибриссы заменяют кончики пальцев, которыми люди и обезьяны обследуют поверхность и форму предметов.
Учитывая научные знания о роли вибрисс в поведении, по-видимому, следует изменить некоторые модели стрижки собак и оставлять (например, пуделям) усы не только для красы, но и для сохранения психического здоровья. Нельзя же портить замечательный орган чувств ради моды!
(C) Журнал "Кот и Пес" 1997 - 2
Список используемой литературы:
В.Гриневич,"Наука и жизнь" №5, 2006
Журнал "Кот и Пес" 1997 - 2
O.Ф. Чернова "Человек и его здоровье"
агентство "Информнаука", Вибриссы
В.Н. Ласков НИИ нейрокибернетики им. А.Б.Когана, РГУ, Россия
ГОСТЕВАЯ КНИГА
