Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Вы пытаетесь убедить глорбонов, что в ваших способностях нет ничего сверхъестественного, и рассказываете им о зрении. Вспомнив школьные уроки физики, вы объясняете, что зрение связано с фотонами — не то частицами, не то волнами, которые не обладают массой и перемещаются в пространстве со скоростью около 300 тысяч километров в секунду. Разумеется, глорбонам фотоны кажутся не более реальными, чем нам мидихлорианы[140]. Но вы не сдаетесь и рассказываете, как хрусталик вашего глаза преломляет траектории фотонов, чтобы сформировать изображение — двухмерную карту, на которой каждая точка сетчатки (слоя из светочувствительных клеток) получает фотоны только из связанного с ней участка пространства. «Ладно, — отвечают глорбоны. — А что дальше?» — «Ну, потом вы просто видите, что на этом изображении», — говорите вы. Но глорбоны не понимают, что значит «видеть». Когда вы пытаетесь это объяснить, становится ясно, что вы тоже не понимаете. Вы делаете это постоянно, не задумываясь, и не знаете, как это происходит. Зрение — это действительно загадка, даже для вас.

Пообещав глорбонам вернуться, вы летите на Землю в полной уверенности, что ученые смогут объяснить вам, что такое зрение. Недавно вы читали статью о свёрточных нейронных сетях[141] (компьютерных симуляциях тесно связанных иерархий нейронов), и поэтому первым делом обращаетесь к специалисту по компьютерному зрению — профессору Y. Вы рассказываете ему о своей проблеме, профессор выражает сочувствие и сообщает, что в теории вычислительных систем зрение остается одной из самых сложных проблем, несмотря на былую уверенность в нашей способности ее решить. Он показывает вам прогноз Массачусетского технологического института, сделанный в 1970-е годы, в котором говорится, что программные алгоритмы для распознавания объектов на фотографиях вполне смогут создавать даже участники летних студенческих школ[142]. «Прошло 50 лет, — вздыхает он, — но задача все еще не решена».

Вы возражаете: но ведь в свёрточных сетях в итоге удалось воспроизвести возможности человеческого зрения? Профессор Y улыбается и ведет вас к себе в лабораторию, чтобы показать работу AlexNet — нейросети глубокого обучения[143]. Он достает изображение пингвина, стоящего на снегу; на заднем плане — другие пингвины и горы. Компьютер рисует прямоугольник вокруг пингвина и сообщает, что с вероятностью 70 % это птица. Неплохо, думаете вы, хотя сами на 100 % уверены, что это пингвин — черный клюв, глубоко сидящие глаза-бусины по обе стороны головы, забавно склоненной набок, белый пушистый живот, кажущийся теплым, несмотря на снег, смешные короткие крылья, больше похожие на плавники, и грушевидное тело, нависающее над черными перепончатыми лапами и почти скрывающее их. Такое ни с чем не перепутаешь.

Затем профессор Y добавляет к изображению компьютерный монитор, помещая его рядом с пингвином. Этот комичный коллаж вызывает у вас улыбку, но затем вы видите, что теперь компьютер на 70 % уверен, что перед ним не пингвин, а человек[144]. Как такое может быть, удивляетесь вы: ведь совершенно очевидно, что это пингвин, и он совсем не похож на человека. Профессор Y объясняет, что именно так работает большинство успешных программ распознавания образов — они делают вывод на основе статистической обработки характеристик всего изображения. Но, спрашиваете вы, а как же клюв, перья, крылья… А потом понимаете, что AlexNet не обладает полной информацией о физических особенностях пингвина, которая исключает возможность перепутать его с кем-то еще. Нейросеть знает самые простые и надежные признаки для распознавания образов — своей единственной задачи. Избыточная информация о пингвине, которая есть у вас, абсолютно не нужна для простого узнавания в обычных обстоятельствах. (Однако она будет чрезвычайно полезной, если вы захотите изучить пингвинов — их анатомию, эволюционную адаптацию, поведение и т. д.)

Совершенно очевидно, думаете вы по пути из лаборатории, что зрение не ограничивается распознаванием образов. Вам нужен кто-то, кто разбирается в человеческом зрении, и вы обращаетесь к нейробиологу, профессору Z. Вы говорите, что хотите разобраться в том, как работает зрение: во всей его сложности и во всех подробностях, а не только в механизме распознавания образов. Профессор охотно делится с вами информацией о последних 60 годах исследований высших уровней обработки зрительной информации. Для начала она рассказывает вам об анатомии — о том, что у приматов (в том числе у человека) в зрительном процессе участвует примерно половина коры головного мозга. Первичная зрительная кора в задней части мозга получает зрительную информацию, распознанную и обработанную сетчаткой (см. эссе Анирудды Дас в этой книге), а затем преобразованную промежуточной структурой — таламусом; и это только начало! Из первичной зрительной коры информация распределяется по нескольким десяткам областей мозга, которые отвечают за разные аспекты зрительного восприятия[145]. Отдельные участки занимаются объектами, общей картиной, лицами, телами, движением и цветом. Области, связанные с действием, опираются на зрение, чтобы решить, куда смотреть, как ориентироваться в пространстве, как брать предметы. Области, связанные с эмоциями и аппетитом, используют зрительную информацию для оценки полезности или опасности объектов. В префронтальной коре зрительная информация хранится в кратковременной памяти в течение нескольких секунд. В височных зонах коры зрительная информация «складируется» в долговременной памяти, где может храниться всю жизнь.

Это уже интересно. Теперь яркость зрительного восприятия и его информативность уже не вызывает удивление — еще бы, над этим непрерывно работает половина коры головного мозга! (Профессор Z уверяет вас, что тезис «вы используете только 10 % своего мозга» не имеет отношения к действительности.) Все это здорово, соглашаетесь вы, но все же это ответ на вопрос где, а я хочу знать, как это работает. «Вопрос на миллион долларов… Это сложно. Мы уже добились кое-каких успехов; вероятно, мы почти разобрались в зрительном восприятии движения — каким образом группы нейронов сообщают о направлении и скорости»[146]. — «То есть вы знаете, каким образом мы воспринимаем балет?» — радуетесь вы. — «Не совсем; скорее как мы определяем, движется ли поле точек налево или направо». — «А как насчет изобразительного искусства — почему мне так нравятся картины Вермеера?» — «Нам известны отдельные детали: сигналы нейронов, сообщающие о границах[147], цветах[148], трехмерных объектах[149], — но как все это складывается в общую картину? Нужно обладать поистине неземными способностями, чтобы изучить каждый нейрон мозга и понять, что они все сообщают друг другу»[150].

Вы разочарованы — и понимаете, что на ключевые вопросы нейробиологии зрения ответы пока что неудовлетворительны. Зрение — это суперспособность, и пока оно остается загадкой. Глорбонам придется подождать.

Вкусовые ощущения выполняют две функции

ОСОЗНАВАЕМОЕ ВОСПРИЯТИЕ ВКУСА И БЕССОЗНАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС МЕТАБОЛИЗМА

Пол Бреслин

БОЛЬШИНСТВО ЛЮДЕЙ воспринимает вкус как ту часть аромата пищи (или горечи лекарства), которую мы ощущаем во рту. Но мы редко задумываемся, зачем нам нужен вкус. Чем он полезен? Вкусовые ощущения — результат работы взаимосвязанных специализированных сенсорных систем, которые ученые называют органами химического чувства: именно благодаря этим органам мы чувствуем вкус и запах, а наша кожа реагирует на химические вещества — например, испытывает жжение от жгучего перца[151]. Чтобы понять значение этих систем, нужно оценить их роль в нашем выживании и эволюции. Эволюционный взгляд на биологию, которого я придерживаюсь, состоит в том, что наша анатомия, физиология и психология в конечном счете помогают нам находить пищу и размножаться. Нас (и других животных) в значительной степени сформировали поиски пищи, поскольку энергия и питательные вещества нужны нам, чтобы выжить. То же относится и к стремлению к сексу — он необходим для появления потомства, которое поддержит существование нашего вида в отдаленном будущем. Химические чувства важны для питания и размножения большинства животных, от муравьев до собак. Нетрудно догадаться, как необходимо собаке обоняние, когда она ищет пищу или партнера для размножения; однако роль вкуса в этих процессах не столь очевидна. Одна из причин в том, что обоняние — чувство «дальнего действия», работающее на расстоянии; то же можно сказать о зрении и слухе. В отличие от них, восприятие вкуса, по крайней мере у сухопутных животных, требует непосредственного контакта с пищей или партнером. Многим беспозвоночным животным, например муравьям, восприятие вкуса необходимо и для питания, и для размножения[152]. Однако роль вкусовых ощущений в размножении млекопитающих остается невыясненной, хотя облизывание рта и гениталий партнера характерно для многих видов. Необходимость восприятия вкуса при употреблении пищи более очевидна. Говоря о чувстве вкуса у человека (и млекопитающих), я сосредоточусь на его связи с питанием и на его двойной функции.

В том, что касается нашего питания, вкус выполняет две главные функции: помогает нам распознать еду и оценить ее аппетитность, то есть привлекательность и съедобность, а также запускает пищеварительные и метаболические процессы, чтобы обеспечить наиболее эффективное усвоение и использование питательных веществ. Первая функция связана с осознаваемыми ощущениями, и поэтому мы с ней хорошо знакомы, вторая же выполняется на бессознательном уровне. Почему функция запуска метаболизма так важна? Обратимся к аналогии. Представьте, во что превратились бы авиаперевозки, если бы каждая посадка самолета происходила неожиданно. Движение самолетов в небе и на взлетно-посадочных полосах стало бы непредсказуемым и опасным. Требовалось бы немало времени, чтобы направить самолет к свободному рукаву и найти персонал, необходимый для высадки пассажиров и подготовки оборудования. Более того, процесс разгрузки багажа и его сортировки — что остается на месте, что летит дальше — стал бы беспорядочным и долгим. А ведь перед следующим рейсом нужно еще наполнить топливные баки, сделать уборку в салоне, загрузить еду… Сегодня авиаперевозки осуществляются благодаря тому, что каждый аэропорт заранее знает обо всех потребностях и держит наготове оборудование, персонал, топливо и еду. Что же произойдет, если наш организм не будет готов к поступлению питательных веществ? Об этом хорошо написал Стив Вудс: «Акт приема пищи, необходимый для поступления энергии, с точки зрения гомеостаза представляет собой чрезвычайно разрушительное событие»[153].

Концепцию гомеостаза впервые сформулировал физиолог Клод Бернар (1813–1878), который писал: «Постоянство внутренней среды — залог свободной и независимой жизни»[154]. Эта мысль была развита Уолтером Кенноном, который в 1932 году ввел сам термин «гомеостаз» в своей книге «Мудрость тела»[155]. Кеннон сформулировал принципы работы целостной системы, которая стремится сохранить относительно постоянную внутреннюю среду. Среди прочего он высказал идею, что наши регулятивные системы состоят из множества компонентов, которые должны работать сообща, чтобы повышать или понижать концентрацию важных питательных веществ и метаболических факторов в крови до нужного уровня. Неизменная внутренняя среда обусловливает нашу способность мигрировать, бегать, охотиться, работать или спать независимо от того, едим ли мы, перевариваем пищу или голодаем[156]. Вкусовые ощущения — важная сигнальная цепь, сообщающая этим скоординированным системам гомеостаза о том, что попадает в организм, подобно тому, как диспетчер аэропорта докладывает об обстановке пилотам. Благодаря чувству вкуса организм узнает, что в желудочно-кишечный тракт попадают (и будут всасываться через него) макро- и микронутриенты, вода — а также токсины и яды, нарушающие метаболизм[157]. Подготовительными реакциями на эти вещества могут быть перемешивание содержимого желудка и ритмичные сокращения кишечника, выделение секреторных жидкостей, таких как слюна во рту и желудочный сок в желудке, активизация желез внутренней секреции, например выброс инсулина в кровь, и молекулярные реакции, в том числе повышение концентрации белков, которые переносят питательные вещества из кишечника в кровь. Без такой подготовки к приему питательных веществ организм будет похож на аэропорт, неготовый к приему самолетов: ничего не будет работать так, как надо. Еще Иван Петрович Павлов отмечал, что куски мяса, помещенные непосредственно в желудок собаки, не запускают процесс пищеварения. Но если одновременно с этим язык собаки посыпать порошком из высушенного мяса, то куски, помещенные в желудок, переварятся полностью[158]. Исследование Павлова, которому он посвятил всю жизнь и за которое был удостоен Нобелевской премии, можно коротко сформулировать так: для здорового пищеварения необходимо, чтобы поступающая в организм пища не была неожиданной и чтобы организм успел должным образом подготовиться.

Как же воспринимаются на вкус питательные вещества и токсины? Обычно вкусовые ощущения возникают тогда, когда пища попадает в рот и воздействует на клетки вкусовых рецепторов. Они расположены в микроскопических, похожих на бутоны выступах, которые называются вкусовыми сосочками, — на языке, мягком нёбе (задняя часть нёба) и в глотке (задняя часть горла). Под действием химических веществ, попадающих в рот, эти электрически активные клетки с помощью специализированных белков (рецепторов) вырабатывают электрический ток. Вкусовых рецепторов и вкусовых сосочков нет под языком, на губах, на внутренней стороне щек и на твердом нёбе (передняя часть нёба). Однако вкусовые рецепторы присутствуют во всем пищеварительном тракте и во всех основных органах, участвующих в метаболизме и контролирующих уровень питательных веществ в крови[159]. Некоторые исследователи считают, что передняя и задняя части ротовой полости выполняют разные функции: кончик языка нужен для того, чтобы пробовать и идентифицировать пищу, которую мы берем в рот, тогда как корень языка, мягкое нёбо и глотка помогают определить, стоит ли нам глотать эту пищу или лучше ее выплюнуть. Рецепторы в глубине ротовой полости помогают принять решение — глотать или нет. Такие решения чрезвычайно важны, поскольку для жизни нам нужны питательные вещества (глотать), однако содержащиеся в пище яды могут нас ослабить или даже убить (не глотать). Примечательно и то, что рецепторы глотки стимулируются только после глотания (вот почему правы дегустаторы пива, утверждающие, что вкус напитка можно в полной мере оценить, только сделав глоток)[160]. Но как же тогда рецепторы в глотке помогают нам решить, глотать пищу или нет? Во-первых, эти решения принимаются во время еды непрерывно, а не однократно, «раз и навсегда». Во-вторых, вкусовые ощущения в глотке — последняя проверка на безопасность того, что должно попасть в организм после глотания: на тот случай, если нам все же необходимо прервать процесс, задержав пищу в желудке и отрыгнув ее. Именно поэтому раздражение задней части горла может вызвать тошноту и рвоту. В целом сенсорная система восприятия вкуса в ротовой полости сообщается с мозгом и органами обмена веществ как с помощью нервов, так и посредством выделения гормонов в кровь[161].

Осознаваемый вкус можно рассматривать как квалиа — единичный чувственный опыт, который возникает, например, если лизнуть соль. Но в действительности те вкусы, которые мы ощущаем, состоят из нескольких компонентов. Вкус можно разложить на такие сенсорные составляющие, как качество (сладкий, кислый, соленый, умами, горький и, возможно, еще несколько других, например вкус воды, солодовый и минеральный), интенсивность (от слабого до сильного), место восприятия (горечь на кончике языка или горечь на корне языка) и временная динамика (быстро исчезает или оставляет долгое послевкусие). Эти характеристики вкуса обычно объединяются в мозге с другими свойствами пищи, определяемыми с помощью других рецепторов во рту, а также обоняния. Все это формирует вкусоароматический букет пищи, который помогает нам распознать ее, оценить ее съедобность и установить ассоциации с тем, как мы почувствуем себя после еды, чтобы в следующий раз узнавать эти продукты и вспоминать, доставили ли они нам удовольствие или вызвали плохое самочувствие.

Поскольку система восприятия вкуса связана с мозгом и органами обмена веществ, такими как поджелудочная железа и печень, мы способны оценить попадающую в рот пищу как полезную (то есть кажущуюся вкусной) или вредную (вызывающую отвращение или тошноту). Высококалорийные и богатые питательными веществами продукты полезны, и мы употребляем их в пищу, а те, что содержат токсины и яды, вредны, и мы их отвергаем. На уровне сознания пища может быть отнесена к полезной на основании ее вкусовых качеств, особенно если она сладкая, кислая или соленая, и тогда система восприятия вкуса активизирует мозговые центры вознаграждения, сообщая, что в организм поступают полезные вещества. Токсины будут иметь горький вкус, который мы также осознанно воспринимаем. При сильной стимуляции система восприятия горького вкуса активизирует мозговые центры наказания, хотя слабая горечь обычно не вызывает у нас неприятия. Положительные рефлексы лизания и глотания в ответ на вознаграждаемые стимулы, а также рефлексы отторжения (слюнотечение, позывы к рвоте, встряхивание головой и дрожь отвращения) в ответ на наказуемые стимулы представляют собой автоматические рефлекторные реакции. Ими управляют не зависящие от сознания сенсомоторные рефлекторные дуги в стволе мозга. Так же бессознательно, по команде из спинного мозга, мы отдергиваем руку от горячей плиты.

Другие виды бессознательной реакции на внутриротовые стимулы могут непосредственно влиять на уровни гормонов и питательных веществ в крови. Это значит, что система восприятия вкуса напрямую управляет процессами обмена веществ. Можно привести несколько ярких примеров того, как это происходит. Вернемся к аналогии с аэропортом. Мы знаем, что выведение глюкозы из крови — это жизненно важный процесс. В отсутствие физической нагрузки он требует инсулина, и система восприятия вкуса запускает этот процесс, когда мы чувствуем вкус углеводов (сахаров и крахмалов). Если прополоскать рот раствором глюкозы, а затем выплюнуть его, не глотая, это вызовет предварительный выброс инсулина в кровь поджелудочной железой. Хотя инсулина выделится немного, это существенно снизит уровень глюкозы в крови во время и после еды. Удивительно, но такой эффект наблюдается не только с сахаром, но и с крахмалом, который входит в состав хлеба, картофеля и макарон[162]. Пока непонятно, есть ли у нас рецепторы крахмала, но наша слюна содержит фермент амилазу, который расщепляет крахмал, превращая его во вкусовой стимул, вызывающий предварительный выброс инсулина. Хорошо известно, что у спортсменов прибавляются силы, когда они употребляют глюкозу во время состязаний. Но того же эффекта можно достичь, если прополоскать рот раствором глюкозы (или крахмала) и выплюнуть его. При этом полоскание рта раствором сахарина, некалорийного заменителя сахара, не дает никакого результата. Похоже, система восприятия вкуса распознает среди разнообразных стимулов углеводы, преобразуемые в ходе обмена веществ, а затем влияет на нашу работоспособность, но механизм этого влияния нам пока неизвестен.

Подготовительные эффекты вызывает и другой макронутриент — жир. Если прожевать и выплюнуть настоящий сливочный сыр, намазанный на крекер, это на несколько часов заметно повысит уровень триглицеридов в плазме крови, но если сыр будет обезжиренным, такого результата не последует[163]. Это исследование дает основание предположить, что весь метаболизм жиров в организме подконтролен вкусовому восприятию жира. Эффект воздействия вкуса на метаболизм макронутриентов использовался для помощи недоношенным и ослабленным младенцам. Дети, которым вводили питательные вещества через зонд или внутривенно, быстрее учились есть сами и меньше времени проводили в больнице, если во время процедуры кормления им давали сосать подслащенную соску[164]. Этот факт указывает на то, что сосание подслащенной пустышки влияет на усвоение питательных веществ, которые вводятся через зонд или вену.

Помимо реакции на макронутриенты, существуют и другие свидетельства того, что внутриротовые ощущения вызывают изменения водно-солевого баланса в организме. Мы знаем, что вода утоляет жажду. Но жажда проходит, и мы перестаем пить задолго до того, как вода, попавшая в желудок, впитается и восстановит водный баланс в организме. Это значит, что ощущения от воды во рту (возможно, ее вкус) используются как маркеры для предсказания, сколько воды будет усвоено. Даже если просто прополоскать рот холодной водой, а затем выплюнуть ее, жажда уменьшится. Организм должен поддерживать более или менее постоянную концентрацию солей в крови, и потребление соли и воды обычно соответствует определенной пропорции. Поэтому у нас также есть подготовительные рефлексы на вкус соли. У грызунов соленая вода во рту вызывает метаболические рефлексы в почках. Капля концентрированного солевого раствора, помещенная на язык крысы, приводит к мгновенному сокращению выработки мочи, чтобы вода задержалась в организме и в телесных жидкостях сохранился водно-солевой баланс[165].

Наш организм готовится и к попаданию в него токсинов. У многих ядовитых веществ горький вкус, а кроме того, токсины и яды вызывают тошноту. Интересно, что сильной горечи достаточно, чтобы вызвать рвотный рефлекс и остановить ритмичное сокращение желудка[166]. Таким образом, при сильной горечи во рту мы предполагаем попадание в организм токсинов и испытываем тошноту, которая готовит нас к рвоте, а остановка продвижения содержимого желудка не дает усвоиться тому, что мы успели проглотить. Такая подготовка к вероятному отравлению может спасти нам жизнь.

По моему мнению, почти все вкусовые стимулы вызывают осознаваемое восприятие вкуса и запускают бессознательные метаболические рефлексы. Это справедливо как для питательных, так и для токсичных веществ. Двойственная природа вкуса делает его, по всей видимости, самой важной сенсорной системой из всех, которыми обладает человек. С возрастом вкус ослабевает в меньшей степени, чем другие чувства, — вероятно, потому, что он жизненно необходим[167]. Человек способен привыкнуть к потере обоняния (аносмии), слепоте и глухоте. Но в тех редких случаях, когда люди лишаются способности чувствовать вкус, они начинают хуже питаться и теряют в весе. Чаще всего восприятие вкуса страдает после лучевой терапии злокачественных опухолей головы и шеи. Такие же последствия наблюдаются при лучевой терапии полости рта, и у пациента они могут вызывать настоящий шок. Вот свидетельство Этны Маккарти-Левенталь, врача, которая после лучевой терапии опухоли головы и шеи утратила способность воспринимать вкус:

Что это значит — не чувствовать вкуса? Знать, что самый ароматный фрукт похож по вкусу на окурок, а его сок отдает медью и содой, или что устрицы из Уитстабла не аппетитнее слизняков? Если усилием воли пропихнуть в себя эти «окурки», запив большим количеством воды, результатом будет острое несварение желудка и рвота. Пациент все равно не голоден, и ему проще вообще ничего не есть[168].

Для осязания требуется набор нервных окончаний необычной формы

Дэвид Джинти

ОТ НАШЕЙ КОЖИ К МОЗГУ поступают целые симфонии нервных импульсов, передающие тактильные ощущения от соприкосновения с материальным миром. На каких инструментах исполняются эти симфонии? Каким образом одно сочетание импульсов передает нежное прикосновение матери, а другие сообщают об опасном насекомом, летнем ветерке, щекотке, сложном узоре шрифта Брайля или о каплях дождя? Наша способность ощущать внешний мир и реагировать на него зиждется на совокупности множества нервных окончаний в коже — самом большом и наименее изученном сенсорном органе.

Нервные клетки, реагирующие на безвредные (безболезненные) тактильные воздействия на кожу, называются рецепторами прикосновений. Тела этих нейронов образуют кластеры, которые называются ганглиями и которые соединяются со спинным мозгом; один длинный аксон каждой такой клетки тянется к коже, а другой — к спинному мозгу (или к стволу головного мозга). Возбуждение окончаний рецепторов прикосновений — это первый шаг к восприятию прикосновения, а их нейроны служат порталами, связывающими нервную систему с огромным материальным миром. Точное число разных типов рецепторов безвредных прикосновений у млекопитающих нам неизвестно, но согласно тщательным подсчетам физиологов их около семи — хотя, возможно, какие-то типы пока не открыты[169]. При стимуляции кожи и возбуждении рецептора прикосновений электрические импульсы передаются по его аксону в спинной мозг, где они объединяются с импульсами от рецепторов других типов. Отсюда нейроны второго уровня передают объединенную информацию от рецепторов прикосновений в разные отделы головного мозга (таламус, средний мозг и соматосенсорную кору) для интерпретации и действий — но это уже другая история. Таким образом, восприятие прикосновения начинается с активации физиологически различающихся типов рецепторов прикосновения, сенсорные окончания которых расположены в нашей коже.

Известные нам семь типов рецепторов прикосновения различаются скоростью передачи импульсов от кожи к спинному мозгу (в диапазоне от 3 до 300 км/ч), временем адаптации к продолжительному воздействию (некоторые рецепторы прикосновений продолжают генерировать импульсы, пока стимулы не прекращаются, другие перестают возбуждаться вскоре после начала воздействия), формой окончаний, расположением на коже и, что самое важное, — чувствительностью к разным типам механического воздействия на кожу и ее производные (то есть внешний слой преимущественно омертвевших клеток, который называется эпидермисом, а также ногти, волосы и вибриссы). Подобно тому как разные светочувствительные клетки в сетчатке глаза реагируют на свет с разной длиной волны, окончания рецепторов прикосновения реагируют на разные механические стимулы (хотя их диапазоны частично совпадают). Например, одни рецепторы прикосновения реагируют только на отклонение волос, а другие — на частые колебания кожи.

Мы способны различать множество разных механических стимулов; прикосновение — это не какое-то одно конкретное ощущение, которое либо есть, либо отсутствует. Мы отличаем кожу от шерсти, гладкую поверхность от шершавой, ласку от удара, щекотку от щипка. Мы понимаем, насколько остр тот или иной предмет, чувствуем растяжение кожи в ответ на движение тела или внешнее воздействие, различаем поглаживания с разной скоростью и силой давления, чувствуем воздействие на волосяные луковицы, воспринимаем вибрацию объектов, которые находятся в непосредственной близости или касаются кожи, а также определяем форму, ровность краев и упругость объектов, проводя по ним пальцами. Получается, что семь (или чуть больше) типов рецепторов прикосновений, с их разной чувствительностью и характером возбуждения, в совокупности обеспечивают практически бесконечное число последовательностей нервных импульсов, поступающих от кожи в центральную нервную систему (ЦНС), и информируют наш мозг о самых разных физических взаимодействиях.

Какие свойства разных типов рецепторов прикосновений определяют их чувствительность к разным механическим стимулам? Существует две основные гипотезы. Одна заключается в том, что каждый тип рецептора по своей природе отличается от остальных. То есть каждый тип на генетическом уровне запрограммирован на формирование в процессе своего развития разных белковых микромашин, которые преобразуют механические стимулы в электрические сигналы, и каждый отличается уникальным набором белковых ионных каналов, определяющих частоту и характер возбуждения клетки. Иными словами, исходные различия в программах экспрессии генов в принципе могут привести к тому, что рецепторы прикосновений того или иного типа будут реагировать только на один вид механических стимулов, посылать импульсы от кожи в ЦНС с определенной частотой, медленно или быстро адаптируясь к продолжительным воздействиям. Нам достоверно известно, что разные типы рецепторов прикосновений обладают разными характеристиками, но мы не знаем, насколько эти различия определяют уникальную чувствительность каждого из семи типов. Вторая идея заключается в том, что рецепторы различаются в основном своими окончаниями, расположенными в коже; разная форма нервных окончаний делает каждый тип рецепторов восприимчивым к определенному механическому воздействию[170]. Истина, по всей видимости, где-то посередине: разные электрические свойства и специализированные окончания в коже сообща придают каждому из семи основных инструментов оркестра, состоящего из рецепторов прикосновения, уникальную чувствительность и динамику импульсов.

Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК (то есть автор величайшего открытия в биологии ХХ века), однажды сказал: «Если хотите понять функцию, изучайте строение». Раньше анатомы исследовали строение сенсорных окончаний кожи в совокупности. Они видели густую сеть нервных окончаний разных форм и размеров, и эта сеть казалась им хаотичной. Такой подход не слишком информативен, если мы хотим понять особенности рецепторов прикосновений разных типов. Если же мы последовательно изучим окончания рецепторов каждого из семи типов с помощью современного метода генетической маркировки флуоресцентными белками, то нам чудесным образом откроется уникальная, итеративная и логическая организация окончаний рецепторов всех типов[171]. В действительности каждому типу рецепторов прикосновения соответствует очень сложная схема нервных окончаний в коже, уникальная и информативная. Рассмотрим три из них.

Млекопитающие обладают чрезвычайно чувствительными рецепторами, которые сообщают об отклонении волосков. У многих млекопитающих также есть довольно длинные вибриссы — своеобразные «габаритные усы», позволяющие ориентироваться в темноте. Некоторые животные способны изучать мир позади себя благодаря виляющему пушистому хвосту — удобно расположенному подвижному датчику, снабженному тысячами волосков. Люди не входят в число тех видов, которые добывают себе еду с помощью осязания: нам редко приходится искать дорогу в темных и узких туннелях, — но все же мы можем догадываться о преимуществах чувствительных вибрисс или хвоста-детектора. Как бы то ни было, у всех известных млекопитающих, включая нас, имеются рецепторы прикосновений, чрезвычайно чувствительные к отклонению волосков на теле; один из их типов получил название Aβ RA-LTMR. (Это техническое название, данное исследователями; Aβ означает, что его электрические импульсы быстро передаются в нервную систему; RA указывает на тот факт, что он быстро адаптируется к воздействию на кожу — генерирует импульс только в начале и по окончании воздействия; LTMR говорит о том, что это механорецептор с низким порогом срабатывания.) Интересно, что даже небольшое отклонение одного волоска может заставить Aβ RA-LTMR послать электрические импульсы от кожи в спинной, а затем и в головной мозг. Объяснение этой невероятной чувствительности к изгибанию волоса становится очевидным после изучения окончаний Aβ RA-LTMR в коже с волосяным покровом. У каждого Aβ RA-LTMR есть аксон, который огибает волосяные луковицы под поверхностью кожи. Исследование показало, что нервные окончания удивительно тесно взаимодействуют с волосяными луковицами. Главный отросток проходит сквозь кожу, огибает волосяную луковицу и разветвляется на 10–20 меньших по размеру вилообразных отростков, которые называются ланцетовидными окончаниями. Они тянутся вдоль поверхности луковицы. На снимках с высоким разрешением, сделанных с помощью электронного микроскопа, видно, что ланцетовидные окончания плотно обхватывают внешний слой волосяной луковицы, состоящий из эпителиальных клеток[172]. Эврика! Такая структура объясняет, почему Aβ RA-LTMR вырабатывает электрический импульс при сгибании волоса! Когда волос отклоняется, небольшое смещение волосяной луковицы относительно тесно прилегающих к ней ланцетовидных окончаний Aβ RA-LTMR приводит к растяжению мембраны этих окончаний, в результате чего открываются механически управляемые ионные каналы. Это, в свою очередь, вызывает электрическое возбуждение ланцетовидных окончаний. Слабые электрические сигналы от десятков ланцетовидных окончаний, окружающих волосяную луковицу, суммируются в зоне инициации спайка, расположенной у основания этих окончаний, и после превышения определенного порога вырабатывается электрический импульс, или спайк. Затем эти импульсы по принципу «все или ничего» передаются в спинной и головной мозг. Рецепторы Aβ RA-LTMR очень чувствительны к движению волосяной луковицы: даже самое слабое воздействие на кожу вызывает смещение луковицы относительно ланцетовидных окончаний, и в зоне инициации спайка формируется импульс. Aβ RA-LTMR генерирует один или несколько импульсов в самом начале отклонения волоса, а затем в конце, когда волосяная луковица возвращается в прежнее положение, растягивая ланцетовидные окончания на ее противоположной стороне (в результате чего и формируется импульс). Таким образом, структура ланцетовидных окончаний рецептора Aβ RA-LTMR и их тесная связь с эпителиальными клетками волосяной луковицы объясняют не только необыкновенную чувствительность к отклонению волоса и слабому нажатию на кожу, но и причину прекращения отправки импульсов в ЦНС во время стабильной фазы отклонения волоса или воздействия на кожу.

Второй тип рецепторов прикосновения, Aβ SA1-LTMR, участвует в восприятии формы предметов, которые вы берете в руку или которые касаются вашего тела. Окончания Aβ SA1-LTMR присутствуют и на коже с волосяным покровом, и на гладкой коже, а наиболее плотно они сосредоточены в зонах с самой высокой тактильной чувствительностью, в частности на кончиках пальцев[173]. Рецепторы Aβ SA1-LTMR, в отличие от Aβ RA-LTMR, медленно адаптируются (на что указывают буквы SA) к продолжительному воздействию на кожу. Другое их отличие от Aβ RA-LTMR заключается в том, что они совсем не реагируют на отклонение волос: можно сколько угодно крутить волоски, а эти рецепторы не сгенерируют ни единого импульса. Aβ SA1-LTMR следят за воздействием на кожу, посылая в ЦНС сотни импульсов в секунду, пока оно продолжается. Уникальное поведение рецептора Aβ SA1-LTMR объясняется особенностями его строения и уникальными «сообщниками» в эпидермисе. От каждого Aβ SA1-LTMR отходит один отросток, который обширно разветвляется на маленьком участке кожи. Каждая его «веточка» контактирует с чрезвычайно интересной специализированной клеткой кожи, которая называется клеткой Меркеля (в честь немецкого ученого Фридриха Зигмунда Меркеля, который описал их в 1875 году). На коже с волосяным покровом каждый рецептор Aβ SA1-LTMR образует тесные связи с 20–40 клетками Меркеля, которые вместе с другими клетками кожи группируются в сосочек — или так называемый купол соприкосновения[174]. В гладкой коже кластеры клеток Меркеля более многочисленны и располагаются ближе друг к другу, чем в коже с волосяным покровом, что соответствует более высокой плотности иннервации гладкой кожи рецепторами Aβ SA1-LTMR. Это объясняет высокую тактильную чувствительность кончиков пальцев. Недавние исследования выявили простой механизм, объясняющий, почему Aβ SA1-LTMR чрезвычайно восприимчивы к воздействию на кожу и продолжают посылать импульсы в ЦНС, пока оно длится. Оказывается, клетка Меркеля сама по себе воспринимает механическое давление и передает сигнал, природа которого пока неизвестна, в окончание рецептора Aβ SA1-LTMR[175]. Быстрая генерация импульсов Aβ SA1-LTMR во время начальной, динамической фазы воздействия, скорее всего, обусловлена непосредственным механическим давлением и возбуждением самого рецептора, а вторую, продолжительную фазу генерации импульсов во время длительного воздействия вызывает сжатие самой клетки Меркеля и опосредованное возбуждение Aβ SA1-LTMR. Таким образом, рецепторы Aβ SA1-LTMR обладают очень высокой чувствительностью и способны сообщать о форме того или иного объекта, а режим передачи сигнала, поддерживаемый связкой клеток Меркеля и Aβ SA1-LTMR, позволяет получать непрерывный (за счет медленной адаптации) поток данных о механическом воздействии. Именно это и требуется, чтобы читать шрифт Брайля или ощущать края монетки, которую вы пытаетесь выудить из кармана.

Свои морфологические особенности есть и у третьего типа рецепторов прикосновения, Aβ Field-LTMR, и они также помогают объяснить их функции. Окончания этих рецепторов обнаружены только в покрытой волосами (шерстью) коже млекопитающих, в том числе людей. Рецепторы Aβ Field-LTMR очень чувствительны к осторожному поглаживанию кожи, покрытой волосами, но при этом не реагируют на безвредное давление на кожу и на отклонение волос. У каждой клетки Aβ Field-LTMR есть один отросток, проходящий через кожу, где он интенсивно ветвится, образуя до 200 окончаний, каждое из которых оборачивается, обычно дважды, вокруг волосяной луковицы[176]. В отличие от продольных ланцетовидных окончаний Aβ RA-LTMR круговые окончания Aβ Field-LTMR располагаются на некотором расстоянии от эпителиальных клеток и не находятся в тесном контакте с волосяной луковицей, которую окружают. Они не связаны напрямую и с клетками Меркеля, чувствительными к механическим воздействиям. Это объясняет их относительную невосприимчивость к отклонению волос и давлению на кожу. Запись их электрических сигналов показала, что каждое из приблизительно 200 круговых окончаний одного рецептора Aβ Field-LTMR представляет собой отдельный механорецептор с относительно невысокой чувствительностью. Другая отличительная черта Aβ Field-LTMR состоит в том, что зона инициации спайка у них находится не на самом конце, как у рецепторов Aβ SA1-LTMR и Aβ RA-LTMR, а на ветви отростка, расположенной далеко от круговых окончаний, которые неплотно охватывают волосяные луковицы. Эти особенности строения поддерживают следующий алгоритм: поглаживание большого участка кожи активирует множество круговых окончаний, слабо реагирующих на механические стимулы, что вызывает большое количество слабых неимпульсных волн электрического возбуждения, которые стимулируют удаленные зоны инициации спайков. Эти зоны по достижении порога срабатывания генерируют по принципу «все или ничего» импульс, который передается от кожи в спинной, а затем в головной мозг. Так рецепторы Aβ Field-LTMR, которые остаются неактивными при отклонении отдельных волос или слабом воздействии на кожу, передают серии импульсов при поглаживании больших участков кожи (рис. 8).

[140]  Мидихлорианы — это микроскопические внутриклеточные разумные симбионты, посредники между всеми живыми существами и Силой («Звездные войны», эпизод I, «Скрытая угроза»).

[141]  Y. LeCun, Y. Bengio, and G. Hinton, «Deep Learning», Nature 521 (2015): 436–444.

[142]  S. Seymour Papert, «The Summer Vision Project», MIT AI Memo 100, Massachusetts Institute of Technology, Project Mac, 1966.

[143]  A. Krizhevsky, I. Sutskever, and G. E. Hinton, «Imagenet Classification with Deep Convolutional Neural Networks», in Advances in Neural Information Processing Systems (Cambridge, MA: MIT Press, 2012). Р. 1097–1105.

[144]  A. Yuille, «Learning in the Visual Brain: Towards Understanding Deep Neural Networks», Biennial Science of Learning Symposium, Johns Hopkins Science of Learning Institute, 2016; http://scienceoflearning.jhu.edu/events/biennial-science-of-learning-symposium-presentations.

[145]  D. C. Van Essen, M. F. Glasser, D. L. Dierker, J. Harwell, and T. Coalson, «Parcellations and Hemispheric Asymmetries of Human Cerebral Cortex Analyzed on Surface-Based Atlases», Cerebral Cortex 22 (2012): 2241–2262; D. J. Kravitz, K. S. Saleem, C. I. Baker, L. G. Ungerleider, and M. Mishkin, «The Ventral Visual Pathway: An Expanded Neural Framework for the Processing of Object Quality», Trends in Cognitive Sciences 17 (2013): 26–49; D. J. Kravitz, K. S. Saleem, C. I. Baker, and M. Mishkin, «A New Neural Framework for Visuospatial Processing», Nature Reviews Neuroscience 12 (2011): 217–230.

[146]  A. J. Parker and W. T. Newsome, «Sense and the Single Neuron: Probing the Physiology of Perception», Annual Review of Neuroscience 21 (1998): 227–277.

[147]  D. H. Hubel and T. N. Wiesel, «Receptive Fields and Functional Architecture of Monkey Striate Cortex», Journal of Physiology 195 (1968): 215–243.

[148]  M. S. Livingstone and D. H. Hubel, «Anatomy and Physiology of a Color System in the Primate Visual Cortex», Journal of Neuroscience 4 (1984): 309–356.

[149]  Y. Yamane, E. T. Carlson, K. C. Bowman, Z. Wang, and C. E. Connor, «A Neural Code for Three-Dimensional Object Shape in Macaque Inferotemporal Cortex», Nature Neuroscience 11 (2008): 1352–1360.

[150]  «Fact Sheet: BRAIN Initiative», White House Office of the Press Secretary, April 2, 2013.

[151]  Ощущения на коже или слизистой оболочке, включая жжение перца, прохладу мяты и слезы от лука, иногда называют химической соместезией. B. G. Green, «Measurement of Sensory Irritation of the Skin», American Journal of Contact Dermatitis 11 (2000): 170–180.

[152]  H. Matsunami and H. Amrein, «Taste and Pheromone Perception in Mammals and Flies», Genome Biology 4 (2003): 220–229.

[153]  S. C. Woods, «The Eating Paradox: How We Tolerate Food», Psychological Review 98 (1991): 488–505.

[154]  Цит. по C. G. Gross, «Claude Bernard and the Constancy of the Internal Environment», Neuroscientist 4 (1998): 380–385.

[155]  W. B. Cannon, The Wisdom of the Body (New York: W. W. Norton, 1932).

[156]  Gross, «Claude Bernard and the Constancy of the Internal Environment».

[157]  К питательным веществам относятся макронутриенты (белки, жиры, углеводы), микронутриенты (витамины и минеральные вещества) и вода. Для выживания человеку необходимо потреблять большое количество макронутриентов и сравнительно небольшое количество микронутриентов. Уровни всех питательных веществ, включая воду, обычно контролируются и в определенной степени регулируются. Одни показатели регулируются с высокой точностью (например, уровень некоторых витаминов), а другие (например, содержание жира в плазме) могут сильно колебаться.

[158]  I. P. Pavlov, The Work of the Digestive Glands (London: C. Griffin, 1902). (На русском языке: Павлов И. П. Лекции о работе главных пищеварительных желез, 1897.)

[159]  Вкусовые рецепторы обнаружены не только во рту и в горле, где они генерируют осознаваемое восприятие вкуса, но и на внутренней поверхности всего желудочно-кишечного тракта, где они незаметно от нас управляют метаболизмом, не формируя осознаваемые ощущения вкуса (к счастью). Вкусовые рецепторы также присутствуют в некоторых органах, где питательные вещества воздействуют на них уже после всасывания, но эти рецепторы не образуют вкусовых сосочков. К таким органам относятся основные регуляторы метаболизма, в том числе печень, поджелудочная железа, жировая ткань (адипоциты), щитовидная железа и мозг. A. Laffitte, F. Neiers, and L. Briand, «Functional Roles of the Sweet Taste Receptor in Oral and Extraoral Tissues», Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care 17 (2014): 379–385.

[160]  Дегустаторы вина обычно перекатывают напиток во рту, а затем выплевывают. Отчасти это вызвано желанием не опьянеть при дегустации нескольких образцов. Та же логика применима и к пиву, однако между вином и пивом есть существенная разница — в пиво добавляется экстракт хмеля. В хмеле содержится класс горьких веществ, которые называются изо-альфа-кислотами и горечь которых сильнее всего ощущается в горле.

[161]  Вкусовые сосочки во рту, которые представляют собой микроскопические многоклеточные органы, также выполняют роль эндокринных желез, выделяя в кровь некоторое количество гормонов, регулирующих метаболизм. Z. Kokrashvili, K. K. Yee, E. Ilegems, K. Iwatsuki, Y. Li, B. Mosinger, and R. F. Margolskee, «Endocrine Taste Cells», British Journal of Nutrition 111 (2014): S23–S29.

[162]  A. L. Mandel and P. A. Breslin, «High Endogenous Salivary Amylase Activity Is Associated with Improved Glycemic Homeostasis Following Starch Ingestion in Adults», Journal of Nutrition 142 (2012): 853–858.

[163]  R. D. Mattes: «Oral Fat Exposure Alters Postprandial Lipid Metabolism in Humans», American Journal of Clinical Nutrition 63 (1996): 911–917, and «Oral Fat Exposure Increases the First Phase Triacylglycerol Concentration Due to Release of Stored Lipid in Humans», Journal of Nutrition 132 (2002): 3656–3662.

[164]  J. P. Foster, K. Psaila, and T. Patterson, «Non-Nutritive Sucking for Increasing Physiologic Stability and Nutrition in Preterm Infants», Cochrane Database of Systematic Reviews 10 (2016): CD001071.

[165]  S. Nicolaidis, «Effects on Diuresis of the Stimulation of Buccal and Gastric Afferent Fibers by Water and Saline Solutions», Journal de Physiologie (Paris) 55 (1963): 309–310.

[166]  C. Peyrot des Gachons, G. K. Beauchamp, R. M. Stern, K. L. Koch, and P. A. Breslin, «Bitter Taste Induces Nausea», Current Biology 21 (2011): R247–248.

[167]  J. C. Stevens, L. M. Bartoshuk, and W. S. Cain, «Chemical Senses and Aging: Taste versus Smell», Chemical Senses 9 (1984): 167–179; L. P. Schumm, M. McClintock, S. Williams, S. Leitsch, J. Lundstrom, T. Hummel, and S. T. Lindau, «Assessment of Sensory Function in the National Social Life, Health, and Aging Project», Journal of Gerontology: Social Sciences 64B (2009): i76–i85.

[168]  E. M. MacCarthy-Leventhal, «Post-Radiation Mouth Blindness», Lancet 2 (1959): 1138–1139.

[169]  V. E. Abraira and D. D. Ginty, «The Sensory Neurons of Touch», Neuron 79 (2013): 618–639.

[170]  A. Zimmerman, L. Bai, and D. D. Ginty, «The Gentle Touch Receptors of Mammalian Skin», Science 346 (2014): 950–954.

[171]  L. Bai et al., «Genetic Identification of an Expansive Mechanoreceptor Sensitive o Skin Stroking», Cell 163 (2015): 1783–1795; L. Li et al., «The Functional Organization of Cutaneous Low-Threshold Mechanosensory Neurons», Cell 147 (2011): 1615–1627; M. Rutlin et al., «The Cellular and Molecular Basis of Direction Selectivity of Aδ-LTMRs», Cell 159 (2014): 1640–1651.

[172]  L. Li and D. D. Ginty, «The Structure and Organization of Lanceolate Mechanosensory Complexes at Mouse Hair Follicles», Elife 3 (2014): e01901.

[173]  K. O. Johnson and S. S. Hsiao, «Neural Mechanisms of Tactual Form and Texture Perception», Annual Review of Neuroscience 15 (1992): 227–250.

[174]  Y. S. Doucet, S. H. Woo, M. E. Ruiz, and D. M. Owens, «The Touch Dome Defines an Epidermal Niche Specialized for Mechanosensory Signaling», Cell Reports 3 (2013): 1759–1765.

[175]  S. H. Woo, E. A. Lumpkin, and A. Patapoutian, «Merkel Cells and Neurons Keep in Touch», Trends in Cell Biology 25 (2015): 74–81.

[176]  Bai et al., «Genetic Identification of an Expansive Mechanoreceptor Sensitive to Skin Stroking».