Органы чувств, рецепторы и сенсорные системы

Мы нуждаемся в постоянном притоке из внешнего мира не только питательных веществ, воды, кислорода, но также информации. Информацию по праву можно назвать «пищей» мозга. Чем больше сигналов удастся зарегистрировать, передать в мозг и проанализировать, тем более успешным, «правильным» окажется наше поведение.

Сигналы, воздействующие на органы чувств:

· световые стимулы (электромагнитные волны); органы зрения;

· звуковые стимулы (механические колебания воздушной среды); органы слуха;

· механические и термические (тепло, холод) воздействия на поверхность тела; рецепторы кожной чувствительности;

· повреждающие воздействия на поверхность тела или ткани внутренних органов; болевые рецепторы;

· наличие в окружающем нас воздухе химических веществ; органы обоняния;

· наличие в ротовой полости определенных химических веществ; органы вкуса.

На стимулы реагируют особые чувствительные клетки либо образованные ими структуры – рецепторы, которые различаются по происхождению и строению.

Часть рецепторов образована нервными клетками (кожные, болевые), в этом случае сигнал воспринимается чувствительным отростком (дендритом) нейрона либо его телом, аксон в составе сенсорного нерва направляется в мозг.

Рис. Рецепторы, образованные нервными клетками. Слева – кожные и болевые рецепторы; в центре – мышечные рецепторы (чувствительные отростки оплетают мышечные клетки и реагируют на растяжение); справа – обонятельные рецепторы.

Вторая группа рецепторов – специализированные клетки, не относящиеся к нервной ткани. С рецептором контактирует дендрит проводящего нейрона, аксон которого в составе сенсорного нерва следует в ЦНС (зрительные, слуховые и вкусовые рецепторы).

Рис. Рецепторы, не являющиеся нервными клетками. Слева зрительный рецептор (палочка); в центре слуховой – «волосковая клетка»; справа  вкусовые рецепторы.

Сенсорная система – совокупность частей нашего организма, воспринимающих, передающих и обрабатывающих определенный тип сигналов. Академик И.П. Павлов для описания сенсорных систем использовал термин «анализатор». В состав любой сенсорной системы входят три компонента:

· рецепторы,

· проводящие пути (чувствительные нервы и тракты),

· обрабатывающие центры мозга.

Рис. Организация сенсорной системы: 1 и 2 – рецептор сам образует чувствительный (сенсорный) нерв; 3 – чувствительный нерв формируют дополнительные нервные клетки.

Главные сенсорные системы человека – зрительная, слуховая, кожная, обонятельная, вкусовая. Однако в организме функционируют еще четыре анализатора:

· вестибулярный – реагирует на изменения направления и скорости движения нашего тела, а также на силу тяжести;

· мышечный – передает информацию о растяжении мышц, сухожилий и, кроме того, об углах поворота суставов;

· болевой – сигнализирует о повреждении клеток и тканей кожи и внутренних органов;

· внутренней чувствительности – оценивает состояние внутренней среды (растяжение стенок органов, химический состав и температура крови).

Общее число сенсорных систем человека достигает, таким образом, девяти. Иногда системы болевой, кожной, мышечной и внутренней чувствительности объединяют и говорят о «чувствительности тела». В системе «чувствительности тела» рецепторами являются нейроны.

Как правило, для обеспечения работы рецепторов организм формирует дополнительные анатомические структуры, в комплексе с рецепторами они получили название органов чувств. Зрительные рецепторы могут полноценно воспринимать световые сигналы, только находясь внутри органа зрения – глаза; слуховые – находясь внутри улитки (части внутреннего уха). Органом кожной чувствительности является кожа; органом вкуса – слизистая языка и ротовой полости и т.д. Можно сказать, что орган чувства – это периферическая часть анализатора. В ряде случаев принято говорить не об органах чувств, а просто о присутствии рецепторов в той или иной части тела. Например, концентрацию кислорода в крови определяют немногочисленные рецепторы в стенках аорты и сонных артерий, а растяжение сухожилий – одиночные сухожильные рецепторы.

Плотность распределения рецепторов может быть разной, она повышена там, где происходит сбор наиболее важной для организма информации (наибольшая плотность кожных рецепторов на губах, языке и кончиках пальцев).

Возбуждение рецептора приводит к возникновению в чувствительном нерве электрических импульсов, передающих информацию о стимуле в мозг. Чем сильнее стимул, тем больше возбуждение рецептора, и тем чаще следуют по нерву импульсы. При обработке сенсорных сигналов в нашем мозге формируются ощущения и восприятие.

Ощущения возникают в тот момент, когда информация от рецепторов и органов чувств достигает мозга. Ощущения являются результатом анализа реальных свойств объекта или явления (при взгляде на апельсин возникают ощущения оранжевого цвета и круглой формы). Для вкусовой системы характерны ощущения кислого, сладкого, соленого, горького; для системы кожной чувствительности – тепла, холода, давления, прикосновения. Ощущения сами по себе способны запускать реакции нервной системы, особенно на уровне врожденных рефлексов и древних мозговых центров (спинного мозга, гипоталамуса, продолговатого и среднего мозга).

О восприятии объекта говорят, когда в мозге формируется его целостный образ. Он возникает как сумма отдельных ощущений и предполагает узнавание образа. Эту функцию выполняют эволюционно новые отделы мозга – прежде всего, кора больших полушарий. Кроме того, процесс восприятия учитывает наш предыдущий опыт взаимодействия с объектом. Так, целостный зрительный образ апельсина «притягивает» к себе знания об его вкусе и запахе; память о том, как давно вы не ели апельсин и т.д. В результате оказывается, что восприятие субъективно – один любит апельсины, а другой – нет (например, из-за наличия на них в детстве аллергической реакции).

Еще более субъективным является восприятие жизненных ситуаций, другого человека, произведений искусства.

Зрительная система.

Зрение – наиболее значимая сенсорная система. Глаз человека улавливает электромагнитные волны в диапазоне 400-750 нм (короткие субъективно воспринимаются как фиолетовые; длинные – как красные).

Нормальную работу глаза обеспечивают слезные железы и веки (увлажнение поверхности роговицы), а также глазодвигательные мышцы (по 6 на каждый глаз). Глазное яблоко расположено в глазнице черепа и имеет три оболочки:

· склера – наружная белочная оболочка; образована плотной соединительной тканью, выполняет защитную функцию; ее прозрачная передняя часть – роговица;

· сосудистая оболочка – средняя; содержит питающие глаз кровеносные сосуды и пигментные клетки; ее видимая часть – радужная оболочка;

· сетчатка – внутренняя оболочка; здесь находятся фоторецепторы, а также нейроны, чьи аксоны образуют зрительный нерв.

Пигментные клетки, входящие в состав радужной оболочки, обусловливают цвет глаз (в зависимости от количества и распределения меланина). В центре радужной оболочки находится отверстие – зрачок, окруженный гладкими мышечными клетками, регулирует количество света, попадающего на сетчатку. В темноте зрачок максимально расширен, что обусловлено сигналами симпатической нервной системы.

Рис. Строение глаза.

Внутреннее ядро глаза состоит из стекловидного тела и хрусталика. Стекловидное тело расположено между хрусталиком и сетчаткой, оно образовано прозрачным желеобразным межклеточным вещество и лишено кровеносных сосудов (как и хрусталик).

Хрусталик – состоящая из живых клеток упругая прозрачная линза, расположенная сразу позади зрачка. Он окружен особой ресничной мышцей, способной при сокращении изменять кривизну хрусталика (от более плоской к более выпуклой). В результате происходит аккомодация – реакция, позволяющая нам четко видеть объекты, находящиеся на разных расстояниях («наводка на резкость»). Рассматривание близких предметов требует выпуклого хрусталика (напряжение ресничной мышцы). Если же нужно четко увидеть горизонт – ресничная мышца расслабляется, и хрусталик уплощается. Регулирует тонус ресничной мышцы парасимпатический центр среднего мозга.

Основные нарушения работы системы аккомодации: близорукость, дальнозоркость и старческая дальнозоркость. При близорукости фокус изображения оказывается перед сетчаткой; при дальнозоркости – за ней; при старческой дальнозоркости падает эластичность хрусталика, и он не может принимать достаточно выпуклую форму. Коррекция близорукости требует вогнутых линз, дальнозоркости – выпуклых.

Рис. Дальнозоркость, близорукость и выбор соответствующих очков.

Сетчатка.

Наружное положение в сетчатке занимают фоторецепторы; ближе к центру глаза находятся несколько слоев нейронов, принимающих участие в обработке и передаче зрительной информации.

У человека два типа фоторецепторов – палочки (140 млн.) и колбочки (7 млн.). На периферии сетчатки относительно больше палочек, ближе к ее середине (напротив зрачка) – колбочек. В центре сетчатки находится участок, состоящий из плотно расположенных колбочек – желтое пятно. Это зона наибольшей остроты зрения. Рассматривая объект, мы глядим прямо на него, и изображение проецируется на желтое пятно.

Фоторецептор состоит из наружного части, ядерной области и пресинаптического окончания, контактирующего с нейронами сетчатки. Пигменты рецепторов разрушаются под действием электромагнитных волн определенной длины, продукты распада пигментов вызывают реакцию рецептора и влияют на генерацию импульсов нейронами сетчатки.

Пигменты колбочек – йодопсины (иначе, конопсины). Их три типа: красно-, зелено- и сине-чувствительный. Каждая колбочка содержит один из йодопсинов, а все вместе они обеспечивают цветовое зрение.

Пигмент палочек родопсин чувствителен ко всему видимому диапазону. В связи с этим реакция палочек на оранжевый свет не отличается от реакции на зеленый (черно-белое зрение). Достоинство палочек – высокая светочувствительность. В сумерках, когда колбочки не могут функционировать, палочки остаются единственным источником зрительной информации. При яркой освещенности палочки обеспечивают, прежде всего, четкое выделение границ объектов и реакцию на движение.

Рис. Строение фоторецепторов и сетчатки.

Дальтонизм – генетическое заболевание, при котором наблюдается нарушение цветового зрения. В большинстве случаев он регистрируется у мужчин (7% против 0,5% у женщин) и связан с отсутствием одного из йодопсинов. В результате дальтоник видит два из трех основных цветов, а оставшийся воспринимает как серый (за счет только палочек). Нарушение работы родопсина и сумеречного зрения возникает при дефиците витамина А.

В целом фоторецепторы «описывают» видимое нами изображение как совокупность красных, зеленых, синих и серых точек. После обработки нейронами сетчатки эта информация по зрительному нерву поступает в головной мозг.

Зрительные центры головного мозга.

Зрительный нерв, в составе которого около 1 млн. аксонов, выходит из глазницы и направляется в ЦНС. Перед входом в промежуточный мозг его волокна образуют перекрест (хиазма). Перекрещивается только половина всех волокон, остальные идут к зрительным центрам на своей стороне мозга. После перекреста аксоны зрительного тракта идут к одной из следующих областей:

· Супрахиазменным ядрам гипоталамуса, которые используют информацию об интенсивности света для регуляции внутренних ритмов организма (суточных и пр.).

· Верхним холмикам четверохолмия (средний мозг), которые управляют движениями глаз, дают команду об изменении диаметра зрачка и формы хрусталика, а также организуют ориентировочный рефлекс при появлении новых сигналов.

· Нервным центрам в задней части таламуса (промежуточный мозг), где осуществляется подготовка зрительной информации для передачи в кору больших полушарий. Суть этой подготовки заключается в контрастировании изображения – подчеркивании границ между светлыми и темными областями.

· Зрительной коре.

Зрительная кора занимает затылочную область поверхности больших полушарий. Здесь происходит узнавание визуальных образов и объединение разных потоков зрительной информации. В первичной зрительной коре (в самой задней затылочной зоне) происходит узнавание отрезков прямых линий. Разные нейроны реагируют на линии разной (по отношению к горизонту) ориентации – горизонтальные, вертикальные, под углом 30º и т.п. Если сместиться немного вперед, то мы окажемся в области вторичной зрительной коры. Здесь происходит:

· узнавание геометрических фигур (как суммы нескольких линий);

· объединение черно-белого и цветового потоков сигналов (информация от палочек используется для определения границ объектов, информация от колбочек – для «заливки» их цветом);

· сравнение информации от правого и левого глаза (попадает в одно полушарие благодаря хиазме) и за счет этого – вычисление расстояния до объектов и их объема.

Рис. Зрительные центры головного мозга.

Распознавание наиболее сложных и обобщенных признаков изображений связано с зоной, находящейся на границе затылочной, теменной и височной коры. Ее иногда называют третичной зрительной корой. У обезьян здесь обнаружены нейроны, избирательно реагирующие на «лицо» другой конкретной обезьяны. У человека эта область также связана с узнаванием знакомых лиц и, кроме того, со зрительной составляющей речи – различением и чтением текстов.

Инсульты и травмы первичной зрительной коры приводят к выпадению участков в поле зрения человека; инсульты вторичной и третичной коры – к нарушению восприятия и узнавания зрительных образов. Повреждения первичной коры почти не компенсируются (здесь нейроны обладают врожденно заданной функцией); повреждения вторичной и третичной зон компенсируются хорошо, поскольку свойства соответствующих нейронов являются результатом обучения.