В сложных организмах некоторые клетки высоко специализированы для обнаружения изменений в окружающей среде. Свойства таких клеток были выявлены при изучении зрительных рецепторов мечехвоста.
Выживание каждого живого существа зависит в конечном счете от его способности реагировать на окружающий его мир и соответственно регулировать свою собственную внутреннюю среду. У большинства многоклеточных животных реакции на внешние воздействия и регуляция осуществляются специализированными рецепторными клетками, которые чувствительны к весьма разнообразным физическим, химическим и механическим раздражениям.
У многих животных, а также и у человека эти рецепторы обеспечивают информацию, которая значительно превосходит информацию, получаемую при помощи традиционных пяти органов чувств (органы зрения, слуха, обоняния, вкуса и осязания). Не чем иным, как органами чувств, следует считать также и рецепторы, управляющие изменениями внутренней среды (хотя мы обычно и не отдаем себе отчета в их существовании). Рецепторные органы в мышцах, называемые мышечными веретенами, дают непрерывную информацию относительно степени мышечного растяжения, а другие рецепторы ощущают движения суставов. Не будь этих рецепторов, нам было бы трудно двигаться или говорить. Рецепторные клетки гипоталамуса — одной из частей головного мозга — воспринимают изменения температуры крови, а особые чувствительные клетки каротидного синуса — изменения давления крови. Существуют также внутренние рецепторы, регулирующие уровень углекислоты в особых участках крупных артерий. Болевые рецепторы, широко распространенные по всему организму, реагируют на вредные воздействия почти любого типа, которые могут оказаться пагубными для организма.
Рецепторные клетки различаются не только по своим функциям и структуре, но также по характеру своих связей с нервными волокнами, соединяющими их с центральной нервной системой. Некоторые рецепторные клетки непосредственно образуют собственные нервные волокна; другие же образуют связи с нервными волокнами иного происхождения. Однако для всех рецепторов характерна одна общая функция: генерация нервных импульсов. Это не значит, что импульсы непременно возникают в самих рецепторных клетках. Например, никому еще не удалось обнаружить импульсы в фоторецепторах глаза позвоночных — в палочках и колбочках. Тем не менее при раздражении палочек и колбочек светом в них создаются физико-химические условия, вызывающие возникновение импульсов в лежащих позади нервных клетках. Типичные нервные импульсы легко обнаружить в самом зрительном нерве, который состоит из отростков ганглионарных клеток, отделенных от палочек и колбочек по крайней мере одной промежуточной группой нервных клеток.
Физиологи надеются когда-нибудь распутать всю сложную цепь событий, в результате которой рецепторная клетка в ответ на механическую деформацию, поглощение света или тепла или же раздражение определенной молекулой дает начало нервному разряду. Ни в одном случае не удалось проследить все эти события. Мы начнем наше обсуждение с последнего звена, общего для всех сенсорных рецепторов — с возникновения нервных импульсов. Затем мы подробно рассмотрим события, происходящие в одном определенном рецепторе — фоторецепторе мечехвоста (Limulus). Наконец, мы попробуем дать некоторые характеристики «производительности» рецепторов, действующих поодиночке и совместно с другими рецепторами.
Нервное волокно, или аксон, представляет собой нитевидное образование, отходящее от тела нервной клетки. Вся поверхностная мембрана клетки, включая и оболочку аксона, электрически поляризована; внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, причем заряд этот составляет около 70 тысячных вольта. Эта разность потенциалов носит название мембранного потенциала. В ответ на соответствующее раздражение немедленно происходит местное изменение мембранного потенциала, дающее начало нервному импульсу, который затем распространяется по всему волокну.
В любом нервном волокне импульсы, по существу, одинаковы по величине и форме и распространяются с одинаковой скоростью. Это было впервые установлено лет 30 назад работами Э. Эдриана. Эдриан и его сотрудники обнаружили, что, изменяя интенсивность раздражения, приложенного к рецепторной клетке, можно вызвать изменение не величины импульсов, а только их частоты; чем выше интенсивность, тем больше частота нервных импульсов, порождаемых рецептором. Таким образом, все сенсорные восприятия, связанные со светом, звуком, положением мышц и т. п., передаются при помощи одного и того же кода, состоящего из единичных нервных импульсов. Животное способно декодировать различные сообщения, потому что рецептор каждого типа сообщается с высшими нервными центрами только при помощи своего особого набора нервных путей.
Эдриан и другие авторы изучали триггерную функцию, рецепторных клеток по отношению к сенсорным нервным импульсам. Эдриан предполагает, что рецептор каким-то образом уменьшает мембранный потенциал покоя своего нервного волокна; иными словами, он, по-видимому, вызывает местную деполяризацию оболочки аксона. Существование местных потенциалов в глазу было известно еще в 1865 г.; в других органах чувств подобные потенциалы были зарегистрированы гораздо позднее. Однако связь этих электрических изменений с возникновением нервных импульсов оставалась неясной. У некоторых животных с простыми глазами полярность местных изменений потенциала в рецепторах носит такой характер, что они, по-видимому, приводят к деполяризации сенсорных нервных волокон. Ввиду этого Р. Гранит предложил называть их «генераторными потенциалами». Согласно современной точке зрения, раздражение рецепторных клеток приводит к устойчивой местной деполяризации сенсорных нервных волокон, которые в результате генерируют серию импульсов.
Первые прямые указания относительно наличия генераторных потенциалов на клеточном уровне были получены одним из авторов этой статьи — Хартлайном. Он обнаружил нечто напоминающее генераторный потенциал, когда ему удалось зарегистрировать активность одиночного волокна зрительного нерва и его рецептора в сложном глазе мечехвоста. На этот потенциал налагалась серия нервных импульсов.
В 1950 г. Катц получил несомненные доказательства наличия генераторных потенциалов в более простом рецепторе — мышечном веретене позвоночных. При растяжении мышечного веретена удавалось зарегистрировать незначительную, но устойчивую деполяризацию в отходящем от него нервном волокне. При наблюдении с помощью осциллографа создавалось впечатление, что основная линия зарегистрированного сигнала слегка смещается вверх. На этот смещенный сигнал, или местный потенциал, налагалась серия «пиковых потенциалов», представляющих собой отдельные нервные импульсы. Чем сильнее было растяжение или чем быстрее оно производилось, тем сильнее был сдвиг потенциала и тем выше частота импульсов. Анализ многих подобных записей показал, что при постоянных условиях частота нервных импульсов прямо пропорциональна величине измененного потенциала. Если подвергнуть веретено местному наркозу, то импульсы исчезают, но сдвиг потенциала сохраняется. Катц пришел к выводу, что этот сдвиг потенциала представляет собой основное связующее звено между растяжением веретена и разрядом нервных импульсов; иными словами, он действительно представляет собой генераторный потенциал. Более того, этот потенциал можно обнаружить только в непосредственной близости от веретена; это означает, что он распространяется по нервному волокну пассивно, т. е. весьма плохо.
Важные данные, подтверждающие роль генераторного потенциала, получены С. Каффлером и К. Эйзагиром. Эти ученые использовали так называемые клетки Александровича — рецепторные клетки ракообразных, воспринимающие растяжение. Это большие одиночные рецепторные клетки, дендриты (короткие волокна) которых погружены в специализированные рецепторные мышцы. Каффлеру удалось ввести микроэлектрод в клетку и зарегистрировать ее мембранный потенциал, а также нервные импульсы в ее аксоне. Оказалось, что, нарушив форму дендритов путем растяжения рецепторной мышцы, можно вызвать деполяризацию тела клетки; эта деполяризация пассивно распространяется к месту возникновения импульса, которое, возможно, находится на аксоне, вблизи от места выхода последнего из тела клетки. Когда этот генераторный потенциал достигал критического уровня, клетка посылала серию нервных импульсов; чем больше деполяризация аксона превышала критический уровень, тем выше была частота импульсов.
Теперь мы располагаем многочисленными данными, указывающими на то, что рецепторная клетка служит пусковым механизмом, вызывающим возникновение нервных импульсов путем местной деполяризации близлежащего нервного волокна — либо своего собственного волокна, либо волокна какой-либо другой клетки. За немногими исключениями, отдельные волокна какого-либо нервного ствола неспособны многократно реагировать на непрерывно проходящий через него деполяризующий ток; они реагируют лишь в течение короткого времени, образованием одного или нескольких импульсов, а затем привыкают к раздражению и перестают реагировать на него. По-видимому, часть сенсорного нервного волокна, расположенная близ рецептора, обладает особой специализацией, благодаря которой она не столь быстро привыкает к генераторному потенциалу. Тем не менее почти во всех случаях, когда рецепторную клетку подвергают непрерывному раздражению, происходит некоторое привыкание или адаптация. Во всяком случае, инициация нервных импульсов в аксонах рецепторных клеток при помощи генераторного потенциала представляет собой, по-видимому, широко распространенное явление.
Остается решить, каким образом внешнее раздражение вызывает генераторный потенциал? Изучение большей части рецепторов не дает никаких сведений по этому вопросу. Только на примере фоторецептора можно получить точные сведения относительно первого шага в процессе возбуждения рецепторных клеток. Между тем исследование фоторецептора связано с большими трудностями. У большинства животных рецепторы глаза очень мелкие и плотно упакованы, а связанные с ними нервные структуры очень сложны и высокоорганизованы. Счастливое исключение составляет сложный глаз мечехвоста, на котором были получены первые данные о генераторном потенциале. В этом глазу рецепторные клетки очень крупные и их нейральная организация относительно проста.
Сложный глаз мечехвоста, имеющий резко выраженную фасеточность, состоит примерно из тысячи омматидиев («маленьких глазков»), каждый из которых образован всего каким-нибудь десятком клеток. В каждом омматидии клетки расположены в определенном порядке. Клетки сетчатки (рецепторы) располагаются радиально, подобно долькам мандарина, вокруг дендрита их нейрона — единственной эксцентрически расположенной клетки, имеющейся в каждом омматидии.
Хартлайн, X. Вагнер и Э. Мак-Николь (младший) установили при помощи микроэлектродов, что эта эксцентрическая клетка генерирует нервные импульсы, которые можно зарегистрировать в дистальных участках нервного волокна, выходящего из омматидия. Микроэлектрод позволяет также зарегистрировать генераторный потенциал омматидия. Ввиду сложного анатомического строения омматидия до сих пор не удалось точно установить место возникновения генераторного потенциала. Не была также обнаружена активность и в аксонах клеток сетчатки. Как и в случае рецепторов, воспринимающих растяжение у позвоночных и беспозвоночных, местная анестезия подавляет нервные импульсы, не нарушая генераторный потенциал. Более того, как и в случае упомянутых рецепторов, наблюдается пропорциональность между степенью деполяризации и частотой нервных импульсов.
Недавно М. Фуортес показал, что под действием света проводимость эксцентрической клетки возрастает. По его мнению, это возрастание связано с каким-то химическим посредником, который освобождается под влиянием света и воздействует на дендрит эксцентрической клетки. По-видимому, возросшая проводимость дендрита связана с деполяризацией, которая пассивно распространяется к месту возникновения импульсов, где она играет роль генераторного потенциала.
Светочувствительные клетки — единственные среди всех рецепторов — позволяют получить прямые экспериментальные сведения о первоначальных молекулярных явлениях, связанных с процессом восприятия раздражения. Прошло почти сто лет с тех пор, как стало известно, что зрительные рецепторные клетки как позвоночных, так и беспозвоночных имеют специальные органеллы, содержащие светочувствительный пигмент. У позвоночных этот красноватый пигмент, называемый родопсином, хорошо виден в наружных сегментах палочек. Спектр поглощения родопсина человека почти полностью соответствует кривой спектральной чувствительности человеческого глаза при сумеречном освещении, когда функционируют только палочки сетчатки. Это служит веским доводом в пользу того, что с родопсином связано первое активное явление в палочковом зрении: поглощение света фоторецепторной структурой. (Имеются сведения о наличии аналогичных пигментов и в наружных сегментах колбочек, но выделить и исследовать их оказалось труднее.)
Зрительные пигменты, как известно, относятся к сложным белкам; однако оказалось, что та их часть, которая поглощает свет и носит название хромофора, представляет собой более простое соединение: альдегид витамина А. В молекуле этого соединения имеется несколько двойных химических связей, и поэтому оно может существовать в различных молекулярных конфигурациях, известных под названием цис — и транс- изомеров. Работами Р. Хэббард, Дж. Уолда и их сотрудников установлено, что хромофор, представляющий собой 11-цис-альдегид витамина А, в результате поглощения света переходит в транс-форму. Эта фотохимическая реакция представляет собой первый шаг в цепи сложных и пока еще неизвестных нам химических и физических явлений, вызывающих возникновение генераторного потенциала рецепторной клетки и приводящих в конечном счете к возникновению импульсов в зрительном нерве. Это единственный случай, когда известен специфический молекулярный механизм, при помощи которого рецепторная клетка воспринимает изменения в окружающих условиях.
Дополнительные данные о том, что реакция на световое раздражение зависит от родопсина, можно получить, сравнивая спектр поглощения родопсина из глаза мечехвоста с чувствительностью глаза этого животного при различной длине волны. В 1935 г. К. Грехэм и Хартлайн измерили интенсивность вспышек света с разной длиной волны, необходимую для того, чтобы вызвать определенное число импульсов в зрительном нерве мечехвоста. При наложении кривой чувствительности, полученной в этом эксперименте, на кривую поглощения для родопсина мечехвоста, полученную Хэббард и Уолдом, оказалось, что эти две кривые почти полностью совпадают. При длине волны, равной примерно 5200 ангстремов, при которой наблюдается наиболее сильное поглощение света родопсином, глаз мечехвоста генерирует наибольшее число импульсов в единицу времени на данное количество полученной световой энергии. Оказалось, что глаз мечехвоста чувствителен к свету примерно тех же длин волн, что и глаз человека при слабом освещении, когда преобладает палочковое зрение.
Многие привычные ощущения, известные нам из повседневного опыта, — это проявления свойств отдельных сенсорных клеток. Самым простым из них представляется наша способность улавливать увеличение интенсивности какого-либо раздражения. Каждый раз, когда мы испытываем что-либо подобное, мы можем быть уверены, что в чувствительных волокнах, несущих информацию к мозгу, импульсы возникают с большей частотой, чем прежде. Нам хорошо знакомо также явление приспособления органов чувств: например, какой-нибудь резкий запах с течением времени ощущается слабее, хотя определения его интенсивности при помощи приборов показывают, что она остается на прежнем уровне.
Те, кто занимается фотографией, хорошо знают, что можно, различным образом комбинируя выдержку и диафрагму, получать всякий раз один и тот же результат; это равносильно утверждению, что интенсивность и продолжительность освещения (в известных пределах) взаимозаменяемы, когда речь идет о том, чтобы получить тот или иной фотохимический эффект. Этому же правилу подчиняется и глаз человека, подверженный действию коротких вспышек света, а также фоторецептор мечехвоста. Число нервных импульсов, возникающих при действии на омматидий слабого света в течение 0,1 секунды, примерно соответствует числу импульсов, возникающих при действии в 10 раз более яркого света в течение 0,01 секунды.
Нам известно также, что мы вовсе не замечаем колебаний интенсивности света, происходящих с очень высокой частотой, например, когда мы смотрим на экран кино или телевизора. Это явление, по-видимому, можно объяснить на основе наблюдений над генераторными потенциалами и нервными импульсами, возникающими при действии на омматидий мечехвоста света, мерцающего с разной частотой. Мерцание света можно обнаружить по колебаниям генераторного потенциала, что проявляется в виде серий импульсов. По мере возрастания частоты мерцаний частота импульсов все более приближается к той, которая наблюдается при непрерывном освещении и в конце концов становится неотличимой от нее. Как можно видеть из этих записей, «слияние мерцаний» непосредственно обусловлено характером генераторного потенциала, который (выравнивается при наивысшей частоте мерцаний.
Все описанные выше эксперименты производились на одиночных клетках или одиночных сенсорных единицах. Между тем в глазу, ухе и других органах рецепторные клетки сгруппированы в плотные образования и обычно функционируют совместно. Современные исследования показывают, что рецепторные клетки сложных органов чувств в сущности редко действуют независимо друг от друга. В таких органах между рецепторными клетками имеются нервные связи и в результате этих связей возникают новые функциональные свойства.
Хотя глаз мечехвоста имеет не столь сложное строение, как глаза позвоночных, тем не менее в нем четко проявляются результаты нервного взаимодействия. В глазу мечехвоста активность каждого фоторецептора до некоторой степени зависит от активности близлежащих омматидиев. Частота разрядов импульсов в волокне зрительного нерва, отходящего от данного омматидия, уменьшается при действии света на соседние омматидии. Поскольку каждый омматидий является соседом своих соседей, подавление активности оказывается взаимным. Это подавление осуществляется благодаря сплетению нервных волокон, синаптически связанных друг с другом и образующих войлокообразное переплетение, расположенное позади омматидиев. Возможно, что подавление происходит в результате уменьшения величины генераторного потенциала в месте возникновения нервных импульсов, — уменьшения, влекущего за собой снижение частоты этих импульсов.
При одновременном освещении двух соседних омматидиев каждый из них генерирует меньшее число импульсов, чем если бы то же самое количество света получил он один. Степень подавления, испытываемого каждым омматидием (при постоянных условиях), зависит только от частоты реакций другого омматидия. Чем больше расстояние между двумя омматидиями, тем менее выражено взаимное подавление. При одновременном освещении нескольких омматидиев подавляющее действие, испытываемое каждым из них, представляет собой сумму подавляющих влияний, исходящих от всех прочих омматидиев.
Подавляющее взаимодействие может вызвать весьма важные зрительные эффекты. Участки сетчатки, освещенные более интенсивно, действуют на менее интенсивно освещенные участки сильнее, нежели эти последние действуют на них. В результате этого различия в нервной деятельности участков сетчатки, освещенных по-разному, усугубляются. При этом возрастает контрастность и некоторые важные черты изображения на сетчатке чрезмерно подчеркиваются в ущерб верности изображения.
Это удалось показать, перемещая перед сложным глазом мечехвоста неравномерно освещенный объект, состоящий из двух прямоугольников — светлого и темного. Глаз был экранирован таким образом, что только один омматидий «следил» за объектом, расположение которого на сетчатке все время изменялось. При любом положении объекта регистрировалась постоянная частота разрядов. В результате удалось точно воспроизвести (в виде частоты импульсов) форму освещенного объекта. Затем экранировку удаляли и вновь перемещали перед глазом освещенный объект, так что на этот раз за ним могли «следить» все омматидии; однако регистрировались импульсы лишь с одного омматидия. На этот раз частота импульсов возрастала при прохождении светлого прямоугольника и уменьшалась при прохождении темного. Этого следовало ожидать, поскольку в районе светлого прямоугольника у соседних омматидиев, обращенных к более темной части объекта, частота разрядов была ниже, а, следовательно, их подавляющее действие было небольшим. Поэтому частота разрядов у рецепторов, обращенных к светлой части объекта, оказывалась выше, чем у рецепторов, освещенных в равной степени, но расположенных несколько дальше. Подобным же образом можно объяснить понижение частоты импульсов у омматидиев, обращенных к темной части объекта. Реальный результат реакции подобного характера состоит в подчеркивании контуров; этот эффект легко проверить на самом себе, если смотреть на узор, состоящий из ряда одинаковых серых полос, дающих всю гамму переходов от белого к черному. Живописцам хорошо известен эффект «пограничного контраста», и они нередко намеренно усиливают его в своих картинах. И как все мы хорошо знаем по карикатурам и другим контурным рисункам, одни очертания объекта содержат весьма значительную информацию о нем. Дж. Бекеши высказал предположение, что аналогичное подавляющее взаимодействие играет важную роль в органе слуха, повышая его способность различать высоту тона.
Имеются также сведения о том, что реакции многих органов чувств, возможно, изменяются под действием нервных влияний, идущих от центров высшей нервной деятельности. Так, чувствительность мышечного веретена позвоночных зависит от изменений длины волокон в этом веретене, а эта длина зависит как от «производительности» рецептора, так и от его взаимодействия с высшими нервными центрами. Чувствительность обонятельных рецепторов позвоночных, по всей вероятности, также может измениться под влиянием серии импульсов из высших центров. Аналогичные влияния, еще недостаточно хорошо понятые, по-видимому, испытывает сетчатка глаза.
Совершенно очевидно, что реакции сложных органов чувств определяются свойствами отдельных рецепторных клеток, влияниями, которые эти клетки оказывают друг на друга, и регулирующим действием со стороны других органов. Таким образом, активность рецепторных клеток вносит свой вклад в создание тех сложных типов нервной деятельности, которые дают возможность организмам выжить в мире, полном бесконечного разнообразия и постоянных изменений.
Автор: У. Миллер, Ф. Ратклифф и X. Хартлайн