Анатомия чувств: как мы видим, слышим, осязаем и чувствуем

1 Один раз увидеть

«Мы сегодня расскажем про историю изучения органов чувств: как это все развивалось; как знание совершенствовалось и что мы знаем сейчас; как работают органы чувств, а также что узнали совсем недавно, последние самые значимые открытия», — говорит Анна Хоружая. — Я думаю, начать стоит с того, что мы с вами сегодня будем обсуждать сразу пять интересных тем, которые входят в понимание анатомии чувств и того, как мозг воспринимает информацию, которая находится вокруг нас».

«Начнем мы со зрения. Зрение — одно из самых основных наших чувств. Без зрения человек слеп, видеть нам крайне важно. Очень давно люди Задумывались, как мы видим», — говорит Алексей Паевский.

Если не обладать современными знаниями, это вопрос не самый банальный, потому что еще в Античности были две конкурирующие теории.

Первая теория была более умозрительная — это эмиссионная теория. «Считалось, что у нас из глаз идет некий поток зрительных лучей, и вот им мы видим. Евклид, Птолемей считали именно так», — говорит Паевский.

Вторая теория — это интервизионная.

«Аристотель и Гоген считали наоборот, что мы видим от предметов то, что идет к нам. То, что это отраженный свет, понятно стало не сразу. Мы воспринимаем, здесь мы не активны, элемент зрения пассивный: то, что к нам идет, мы воспринимаем», — рассказывает ученый.

Лектор напомнил аудитории, что исторически складывались две конкурирующие теории о том, где находится орган чувств, чем мы воспринимаем чувство. Кто-то говорил, что пустоты в мозге, кто-то — что это сердце. И сердце побеждало.

Только в Средние века стали звучать некие анатомические детали, которые связаны со зрением. Эсмаил Джорджани впервые увидел зрительный перекрест, а Андреас Везалий сделал важнейшее открытие. Он показал, что нервы, по которым идут сигналы, это не пустые трубки.

Евстахий показал, что эти зрительные нервы идут не в пустоты мозга, желудочки, а дальше. Фаллопий описал очередные нервы, все 12 пар.

Дальше уже в XX веке работал Кирстен. Он был физиком, но получил премию по физиологии, потому что изучил всю оптику, которая происходит в глазу. Все, что происходит в хрусталике до сетчатки. Дальше зрение изучала уже клеточная биология, во второй половине XX века.

«Те участки глаза, которыми мы воспринимаем свет, состоят из трех типов, мы видим на самом деле только три цвета, а потом происходит смешение этого всего», — говорит Паевский, напоминая, что Джордж Уолд ушел еще глубже, он ушел в молекулярную структуру, разбирался, как белки видят свет.

Процесс это такой: попадает кусочек кванта света на одну молекулу, и с этого белка начинается фантастический процесс преобразования кванта света в картинку у нас в мозге.

«Конечно, это еще не все, и наши знания будут пополняться еще не одним фактом. Общее представление у нас уже есть, но будет пополняться более детальными представлениями», — убеждена Анна Хоружая.

…Органы чувств называются анализаторами. Это такое понятие, куда входит несколько отделов. Наш глаз не единственный, его нельзя назвать в полной мере анализатором.

Он, скорее, является периферическим отделом. Наш анализатор состоит из периферического отдела — это приемник информации; то, через что информация попадает; потом распространяется в мозг, то есть попадает в области мозга, которые анализируют информацию (проводниковый отдел).

И, наконец, центральный отдел, где в мозге вся информация обрабатывается, синтезируется, и мы получаем представление о чем-либо.

Существует сетчатка, колбочки и палочки. У нас всего два вида фоторецепторов, клеток, которые воспринимают сигнал. Колбочки и палочки, колбочки более пухлые.

«Свету, чтобы попасть в глаз, быть максимально воспринятым, у нас есть точка, на которой мы фокусируемся, а все остальное в периферии. И вот в этой точке, где мы фокусируемся, на сетчатке, куда попадает максимальное количество света, волн, именно там сфокусированы основные цветовые рецепторы», — говорит Хоружая.

Есть три вида колбочек, отвечающих за красный, за синий, за зеленый цвет. Каждый вид сопровождается определенными химическими веществами. И все лучи концентрируются там, где больше веществ, чтобы это все случилось, хрусталик принимает такую форму, чтобы туда попадали лучи.

В сетчатке есть желтое пятно. В этом месте максимальное количество колбочек, а по периферии постепенно становится меньше колбочек, но больше палочек. Палочки отвечают за сумеречное зрение и за градацию серого.

Еще в середине XX века было теоретическое предположение о том, насколько человеческий глаз может быть чувствительным.

Провели мысленный эксперимент, а потом теоретически предположили, что глаз может увидеть один фотон, один квант света, единственный.

Если мы посмотрим, то мы увидим одну вспышку со стороны фотона. И только в 2018 году смогли поставить подобный эксперимент и подтвердилось, что да, действительно, человек способен увидеть в абсолютно пустой комнате один фотон. Сложность была в производстве черной краски, которая поглощала бы любой свет.

Если посмотреть на сетчатку схематически, то мы увидим, что она состоит из десяти слоев и шести типов клеток.

Может показаться, что свет должен поступать сразу на фоторецепторы, чтобы быть хорошо обработанным и сразу пойти в мозг, но это не так. Наша сетчатка работает иначе. Фоторецепторы находятся в самом последнем слое: сначала свету нужно пройти сквозь все эти типы клеток, поэтому сетчатка практически прозрачная. Это для того, чтобы свет хорошо проходил и попадал на фоторецепторы.

Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1967 года Уолд описал строение фоторецепторов.

Формируют зрительный нерв отростки последнего слоя коричневого цвета — ганглионарные клетки.

Интересно, что их много типов. У их нейронов, в свою очередь, есть свои типы. В ганглионарных клетках есть механизм, который еще и реагирует на освещенность за окном, подстраивает нас на смену дня и ночи, циркадные ритмы.

Интересно также, что информация сначала собирается с правого и левого зрительных полей каждого глазного яблока, а потом несколько раз перекрещивается. Невролог по тому, какое поле зрения выпадает, очень хорошо должен знать анатомию, чтобы понять, где произошло повреждение.

Зрительные нервы проходят небольшое расстояние, перекрещиваются и превращаются в зрительные тракты, поступают в таламус.

Таламус — эдакий хаб, который собирает все сенсорные сигналы, а потом распределяет по разным областям коры головного мозга для анализа. Потом это все отправляется на зрительную кору в затылочную долю, чтобы обработать информацию.

С коллегой согласен Алексей Паевский: «По зрению у нас постоянно что-то происходит интересное. Мы знаем, что, когда человек слепнет, наша зрительная кора не остается пустой, она не просто не работает, а перестраивается, начинается иначе собирать информацию. Как в активности серого вещества, так и в активности между участками она начинает заниматься другими делами. Мозг сам себя пересобирает, чтобы человек мог жить дальше».

Оказывается, область мозга, которая отвечает за распознавание лиц, постоянно растет. Мы с каждым годом встречаем новых людей, и новые образы записываем. Если у человека эта зона повреждена, он начинает страдать и не распознает лица: узнает близких только по голосу, не по лицу.

Новые технологии позволяют нам восстанавливать зрение, даже когда погибли палочки и колбочки.

Теперь мы можем вставить те самые опсины, те самые светочувствительные белки в следующие слои клеток, и эти клетки снова вернут зрение. В прошлом году первый человек увидел свет благодаря такой операции после 30 лет полной темноты.

2 Сто раз услышать

«Клавдий Гален нашел слуховой нерв и показал, что он чуть другой, чем другие нервы человека. Главный элемент слуха, который преобразовывает колебания, он пропустил. Барабанной перепонки в его учениях нет», — рассказывает Паевский.

Джироламо да Карпи описал две из трех главных косточек, которые передают и преобразуют сигнал. Потом Инграсия позже описал третью косточку — стремя.

Благодаря Евстахию мы узнали, что ухо может заложить, потому что есть канал выравнивания давления между средним ухом и носоглоткой. Фаллопий все нервы описал, перешел к внутреннему уху, где происходит чудо превращения колебаний жидкости в нервные импульсы.

Меркуриали в XVI веке стал первым фониатром. Он первым написал медицинское руководство по лечению и уходу за слухом.

Даже физики пришли к слуху. Галилей создал идею, что звук — это волны, которые распространяются в воздухе. Дюверни описал ту самую улитку. Звук — это несколько колебаний воздуха, которые воспринимает эта улитка.

«У нас здесь есть слуховой анализатор, который выглядит следующим образом: волосковые клетки, которые представляют собой клетки раздаражающиеся, когда их дергают. Проводниковым отделом здесь является вестибулярный нерв — это восьмая пара черепно-мозговых нервов. Он объединяет в себе и от слуха путь, и от вестибулярного аппарата. А также височная кора больших полушарий, центральный отдел, где находятся слуховые центры», — поясняет Анна Хоружая.

У нас есть внешнее ухо, наша ушная раковина, которая представляет собой резонатор, усиливающий звуковые волны. Она передает их на барабанную перепонку. Там колеблются волны, а барабанная перепонка колеблет самые маленькие косточки нашего организма, а они в свою очередь колеблют окошки.

В нашем внутреннем ухе нет воздушных полостей, там полости наполнены жидкостью со специальным составом. Колебания окошек, которые ведут из среднего во внутреннее ухо, вызывают колебания жидкости. Они куда более сильные и очень хорошо елозят по волосковым клеткам, трогая и цепляя их, тем самым вызывая нервный отклик.

Сигнал обязательно редактируется в среднем мозге, там стоят контроллеры, которые могут вычленить голос знакомого в шуме. А потом сигнал поступает в слуховую кору. Есть разные области, два пути.

Для речи есть зона для обработки моторной речи и сенсорный участок речи, которым мы понимаем, что нам говорят.

3 На запах

«Обоняние — меньше всего писали про этот орган, и даже до сих пор есть мифы», — говорит Паевский.

Греки начали писать о нем. Алкмеон считал, что запахи-частицы попадают в нос и мы их воспринимаем. Но потом с запахами что-то пошло не так.

Платон тоже прав, что вкус и запах зависят от формы частиц, так и есть. Демокрит тоже считал, что запах зависит от формы.

Аристотель начинает дальше думать, он начинает разделять запахи на классы. Конечно же, это достаточно примитивно, он считал, что есть семь типов запахов. Первый труд о запахах появился в IV веке до нашей эры.

До XIX века только Клавдий Гален описал анатомическую часть запаха, а именно обонятельные луковицы.

Запах — это разновидность вкуса.

Андреас Везалий тоже оказался близок, что запах воспринимает сам мозг, а не дырки в нем. Дальше впервые мы поняли, что есть обонятельные нервы. Карл Линней строит классификацию запахов, мы пользуемся его системами до сих пор.

Но вот начинается настоящая наука. Цваардемакер впервые придумал, как измерить силу запаха. Есть линейка, и мы приближаем ее к себе, чтобы понять, когда появится запах. За столько лет ничего лучше не придумали.

Джон Хьюлингс Джексон определил обонятельную кору, и дальше мы уходим в клетки. После этого прошел еще век, пока мы не добрались до белковых клеток, когда Линда Бак и Ричард Аксель открыли те самые белки.

Обоняние — это самая непонятная история.

«Весь наш обонятельный аппарат состоит из обонятельных клеток, которые находятся в верхней полости носовой. Это уже нейронные клетки. Проводниковый отдел — это первая пара нервов. Центральный отдел — это спорный момент. Каждая область мозга будет реагировать на запах, но основные — это обонятельные луковицы и орбитофронтальная кора, а еще гиппокамп», — рассказывает Хоружая.

Почему сложился миф про собак? Анатомы XIX века были уверены, что мы чувствуем хуже, сравнив соотношение мозга и обонятельных луковиц, в том числе и у людей. Поняли, что у человека хорошо развито зрение, ну и ладно.

Только в нулевых годах появилось научное направление, которое стало разбираться с этими мифами. Если провести линию, то собака и человек смогут хорошо справиться с этим. Человек прекрасно пройдет по следу запаха.

Линда Бак и Ричард Аксель установили, что 3% всех генов, а это примерно 28 тысяч генов, принадлежат обонянию. Только представьте себе: 3% всех генов отданы одному чувству. Это очень много. Многое мы даже не знаем, почему это так.

4 Попробуй на вкус

«Вкус и запах сложно отделить друг от друга. Вкус формируется благодаря запахам, благодаря простой системе: мы выдыхаем воздух, часть которого попадает в верхнюю носовую полость и регистрируется обонятельными клетками. Нейрогастрономия сегодня очень бурно развивается и дает нам новые поводы для открытий», — продолжает Хоружая.

Очень много вещей происходит, связанных с обонянием. Как оказалось, после ковида через полгода 20% людей не восстановили свое обоняние, а 5% даже через год не смогли.

Оказывается, что запаховые рецепторы есть даже на языке. Запах подстегивает наши воспоминания, запах очень помогает нам запоминать, как выяснили ученые.

«В изучении вкуса первыми были индусы, самая первая классификация была у аюрведов 2600 лет назад», говорит Паевский.

Как и запахи, это все специальные атомы, только не по рецепторам, а по трубочкам попадают в мозг. Первая классификация у Аристотеля: все основные вкусы — сладкий, соленый, горький, кислый. Везалий описал правильный путь от языка к мозгу, все нервы, которые передают вкус.

Первая научная работа о вкусах появилась в 1500-х годах «О вкусе сладком и горьком». Дальше добавили еще пресный и жирный вкус.

«На рубеже XIX и XX веков ученые добавляли и убирали вкусы. Густав Швальбе открыл те самые клетки, которыми мы воспринимаем вкус, те самые вкусовые сосочки. Пятый вкус добавил Кикунаэ Икэда — японский гастрономический химик. Он открыл мясной вкус, который сейчас мы знаем как глутамат натрия», — рассказывает Паевский.

Когда мы говорим о вкусах, невозможно не подумать о еде, такова наша природа. Как устроен вкусовой анализатор?

Со школы мы знаем, что на языке есть рецепторы вкуса, а проводниковым отделом будут сразу несколько нервов, ведь у языка несколько нервов. Сразу четыре пары нервов участвуют в переносе от языка к мозгу. Это все обрабатывает островковая кора.

«Вкусовых сосочков несколько. Они содержат вкусовые почки, в которых есть вкусовые клетки. Уже у эмбриона на 7-й неделе сформированы вкусовые сосочки. На нашем языке находятся всего 10 тысяч вкусовых почек. Они и на языке, и на щеках, и на небе есть. Мы вкусы чувствуем всем языком. Каждая вкусовая почка отвечает за свой вкус. Разделение на зоны вкуса нет», — говорит Анна Хоружая.

Клетки вкуса — это не нейроны. Недавно в 2012 году нобелевские лауреаты установили устройство рецепторного аппарата.

Потом мы установили рецептор к жирному вкусу, а в 2019-м нашли и металлические рецепторы.

«Есть также ложные вкусы, например, ментоловый или острый. Это не вкусы, а реакция на холод или тепло. Получается, что это реакция, а не сам вкус», — рассказывает доктор Хоружая.

150 миллисекунд — это скорость поступления вкуса в мозг. Оказывается, что сладкое бывает разным, ведь разные рецепторы отвечают за сладкое. Можно улучшать вкус виртуальной реальностью. Сложные клетки вкуса есть, которые по-разному реагируют на вкус.

«Некоторые вкусы идут прямо через кишечник. Мы пристращаемся к сладкому не языком, а кишечником. Бактерии руководят нашими предпочтениями к еде», — говорит удивительные вещи Алексей Паевский.

5 Трогать разрешается

«Самое сложное чувство — это осязание. Здесь много чего интересного. В осязание также входит боль. Хотя боль долго не относили к чувствам», — рассказывает Паевский.

Первую теорию осязания начал создавать Декарт. Он показал, как работает боль. Он показывал, как в мозг движется боль. Он считал, что чувства текут по телу.

Чарльз Бэлл разобрал все чувства по рецепторам, добавив осязание. Мы стали открывать разные клетки, которые отвечают за ощущения: тельца Краузе, Меркеля, Руффини и другие. У нас много разных осязаний.

Ощущение поглаживания — одно, ощущение боли — другое.

Все привело к тому, что мы стали искать, где это обрабатывается в мозге. Нейрохирург Уайлдер Пенфилд в 20-30-е годы делал операции на мозге, тогда он прокартировал отдельные участки, которые отвечают за ощущения в теле.

Последние рецепторы изучили недавно двое ученых — Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян, а в прошлом году получили за это Нобелевскую премию. Получили премию за рецепторы тепла, а также рецепторы холода и рецепторы проприоцепции.

Это чувство можно отнести как к осязанию, так и к другому чувству. Внутри мышц есть рецепторы, которые мы осязаем.

Есть быстрые рецепторы и медленные. На теле именно медленные рецепторы, потому что частью спины мы ничего не трогаем, но важно получать какое-то ощущение.

Есть холодовые и тепловые рецепторы, но холодовых больше. Они расположены у каждого человека по-разному, поэтому кто-то мерзнет руками, кто-то ногами. Кому как повезет.

Скорость передачи информации зависит от толщины нервного волокна. Сначала информация приходит по быстрому волокну, а только потом по медленному. Ноющая боль приходит позже, а резкая — почти сразу. Разница распространения достигает несколько тысяч раз.

Информация приходит в спинной мозг, а потом поднимается до головного мозга в теменной доле. У каждого чувства есть свои нервные тракты.

Интересно, что пути боли от болевых рецепторов выглядят немного иначе, но тоже приходят в теменную зону, но там уже совершенно другие процессы происходят.

«На самом деле мы не знаем о чувствах практически все, — делает почти сенсационное признание Алексей Паевский. — Даже за то время, которое прошло с последней нашей лекции об органах чувств, уже вышло много новых открытий, которые меняют наше представление о них. Все постоянно меняется».

— Марина Ярцева