Сенсорных систем

►Пути проведения информации от рецепторов к высшим отделам мозга. Как мы уже знаем, афферентные нейроны — это первые нейроны, которые участвуют в обработке сенсорной информации. Как правило, они локализованы в ганглиях (спинномозговые ганглии, ганглии головы и шеи, например, вестибулярный ганглий, спиральный ганглий и т. п.). Исключением являются фоторецепторы — их афферентные нейроны (ганглиозные клетки) лежат непосредственно на сетчатке. Нервные импульсы по аксонам афферентных нейронов направляются в кору больших полушарий через ряд сенсорных центров, в каждом из которых осуществляется необходимый анализ соответствующей сенсорной информации, а также интеграция этой информации с другими типами информации. Весь восходящий поток информации от периферического отдела каждой сенсорной системы (или все центральные пути) можно разделить на четыре отдельных потока:

- специфический;

- ассоциативный;

- неспецифический;

- передаточный.

Одновременно в конструкции мозга предусмотрен нисходящий, эфферентный путь, который регулирует пропускную способность центральных путей и тем самым контролирует объем и качество поступающей к коре больших полушарий сенсорной информации. Благодаря взаимосвязанной деятельности специфических, ассоциативных и неспецифических образований мозга, а также эфферентных нисходящих путей обеспечивается формирование поведенческого статуса всего организма, адекватного текущему моменту. Рассмотрим особенности проведения информации по каждому из указанных путей.

Специфический сенсорный путь предназначен для оценки физических параметров сенсорных стимулов, воспринятых рецепторами одного типа. Благодаря такой строгой мономодальности этот путь создает условия для формирования конкретного ощущения. Специфический сенсорный путь представлен сенсорными нейронами, передающими импульсацию от нейронов спинного мозга или ствола мозга к нейронам специфических ядер таламуса (например, тонкий и клиновидный пучки спинного мозга). Исключением является обонятельный анализатор, у которого информация от нейронов обонятельной луковицы передается к нейронам обонятельного мозга минуя специфические ядра таламуса. От проекционных ядер таламуса, который нередко называют общим сенсорным коллектором, информация поступает в соответствующие первичные проекционные зоны коры. От них она поступает ко вторичным проекционным зонам коры, от которых она доходит к передним и задним ассоциативным зонам коры (по И. П. Павлову, проекционные зоны коры — это ядерные зоны анализатора, ассоциативные — это его рассеянные зоны). В первичных проекционных зонах коры расположены мономодальные специфические нейроны, реагирующие на определенные признаки, например, на появление красного света, на движение точки вправо (главным образом, это нейроны 4-го, т.е. внутреннего зернистого слоя коры). Поражение первичных зон соответствующей сенсорной системы вызывает нарушение способности восприятия и тонкой дифференцировки раздражителей (клинически это выражается, например, аносмией или агевзией). Во вторичных проекционных зонах, прилегающих к первичным зонам, содержатся нейроны, которые возбуждаются на сложные признаки (т.е. они являются детекторами сложных признаков), но сохраняющие свою модальность (в основном, это нейроны 2-го, или наружного зернистого слоя, и 3-го слоя, или слоя пирамидных клеток коры). Так, например, для зрительной сенсорной системы первичная проекционная зона в основном представлена полем 17 по Бродману, а вторичная — полями 18 и 19 (затылочная доля); для слуховой — соответственно полями 41 и 42 и полями 21 и 22 (височная доля), для соматической сенсорной системы — полями 1 и 3 и полями 2 и 5 (теменная доля), для проприоцептивной — полем 4 и полем 6 (лобная доля); для вкусовой — полем 43 и полями 28 и 34 (теменная и височная доли).

Ассоциативные зоны коры представляют собой скопление нейронов в лобной доле коры (передняя ассоциативная зона, или таламолобная ассоциативная кора), а также на границах теменной, височной и затылочной долей (задняя ассоциативная область, или таламотеменная ассоциативная кора), которые преимущественно сконцентрированы во втором и третьем слоях коры. Нейроны ассоциативных зон коры — это преимущественно полимодальные нейроны, получающие сенсорную информацию от мономодальных нейронов (зрительных, слуховых) проекционных зон коры, а также от нейронов ассоциативных ядер таламуса. С участием нейронов ассоциативной коры осуществляется детекция обобщенных признаков сенсорных стимулов, формирование «сенсорной модели мира», а также гностические процессы — узнавание, опознание образа, т.е. акцепция. При повреждении этих зон нередко возникают агнозии, т.е. нарушение узнавания (слуховая, цветовая, тактильная и др.), а также нарушение речи, в том числе моторная афазия при нарушении передней ассоциативной зоны и сенсорная афазия при повреждении задней ассоциативной зоны коры.

Для осуществления анализа сенсорной информации в ассоциативных зонах коры используются нейроны с простыми, сложными и «сверхсложными» рецептивными полями, ансамбли нейронов, выделяемые «подобразы», а также многочисленные гностические («бабушкины») нейроны, узнающие определенный предмет внешнего мира (более подробно о нейронах-детекторах изложено ниже). При этом нейроны сгруппированы в виде вертикальных колонок (от одной тысячи до десяти тысяч в колонке), благодаря которым детектируются все возможные признаки сенсорного сигнала. С этой точки зрения любую сенсорную область коры можно представить как совокупность большого числа колонок, специализирующихся на процессах обработки определенного сенсорного сигнала или полимодального сигнала. Следует отметить, что колончатый принцип обработки сенсорной информации используется не только в ассоциативных зонах коры, но и в проекционных ее зонах; различия касаются набора нейронов и их способности проводить анализ сенсорной информации.

Таким образом, в проекционных зонах происходит декодирование информации, на основании чего возникает представление о модальности сигнала, о его силе и качестве, а в ассоциативных участках коры — определение «что это такое?», т.е. акцепция сигнала. Все эти процессы совершаются с использованием механизмов памяти.

Ассоциативный, или таламокортикальный, путь связан с оценкой биологической и социальной значимости сенсорных стимулов, т.е. с формированием восприятия. Для этих целей информация, идущая от сенсорных афферентных нейронов, направляется не только к проекционным ядрам таламуса, но и к ассоциативным его ядрам (вместе они составляют специфические ядра таламуса). В нейронах этих ядер происходит межсенсорная, или кроссмодальная интеграция, т.е. комплексная обработка информации, поступающей от различных сенсорных систем мозга. В таком виде она отправляется к нейронам ассоциативных зон коры больших полушарий, в том числе по таламопариетальному и таламофронтальному путям. В совокупности с информацией, поступающей сюда от проекционных зон коры, это позволяет получить комплексное представление о предметах внешнего мира.

Неспецифический, или мультимодальный, путь предназначен для поддержания общего уровня возбудимости мозговых структур (главным образом, нейронов коры), участвующих в обработке сенсорной информации, которая поступает в эти участки, как мы уже это знаем, по специфическим и ассоциативным путям. Этот важный для обработки сенсорной информации путь представляет собой коллатеральные ответвления (коллатерали) от центрального потока к нейронам ретикулярной формации ствола мозга и неспецифических ядер таламуса. Любая сенсорная информация, независимо от ее модальности, за счет дивергенции возбуждает эти нейроны, благодаря чему осуществляется их восходящее активирующее влияние на структуры сенсорной коры. Деятельность этих двух активирующих систем во многом связна с базальными ганглиями (главным образом, хвостатым ядром).

Передаточный путь предназначен для использования сенсорной информации на нижних этажах мозга для реализации многочисленных безусловных рефлексов, а также для регуляции центрального потока сенсорной информации. Этот путь представляет собой коллатеральные ответвления сенсорной информации определенной модальности на различные нейроны (включая мотонейроны и вегетативные нейроны) спинного, продолговатого и среднего мозга, а также мозжечка, гипоталамуса и лимбической системы мозга. Так, например, при нанесении болевого раздражителя на кожу правой ноги возникает безусловный сгибательный рефлекс, обусловленный тем, что импульсация от тактильных и болевых рецепторов кожи на уровне спинного мозга по коллатералям поступает к альфа-мотонейронам мышц-сгибателей правой ноги, а через вставочные нейроны она достигает альфа-мотонейронов мышц левой ноги, вызывая их торможение.

►Эфферентные, или нисходящие, пути и их роль в обработке сенсорной информации. Они представлены многочисленными аксонами нейронов коры больших полушарий, таламуса и других подкорковых образований, которые оканчиваются на различных уровнях каждой сенсорной системы, включая ее периферический отдел. Общее число эфферентных нервных волокон, приходящих к рецепторам или элементам какого-либо нейронного слоя сенсорной системы, как правило, во много раз больше числа афферентных волокон, приходящих к тому же слою. Это определяет важную особенность эфферентного контроля в сенсорных системах: его широкий и диффузный характер.

С помощью эфферентных путей высшими отделами мозга регулируется (уменьшается или увеличивается) восходящий поток сенсорной информации, и тем самым оптимизируется процесс обработки сенсорной информации в подкорковых структурах мозга и в коре больших полушарий. Это достигается различными способами, в том числе за счет изменения чувствительности сенсорного рецептора (например, при возбуждении гамма-мотонейронов спинного мозга возрастает чувствительность мышечного веретена к растяжению), за счет регуляции величины рецептивного поля (при темновой адаптации под влиянием эфферентных импульсов возрастает число фоторецепторов, конвергирующих на одной ганглиозной клетке), за счет регуляции адаптационных процессов в сенсорных рецепторах (чаще всего, речь идет о тормозных влияниях, уменьшающих чувствительность рецепторов и/или ограничивающих поток сенсорной информации), а также за счет вытормаживания, или избирательной фильтрации избыточной ин формации, благодаря чему к центрам в «концентрированном» виде поступает наиболее важная, наиболее содержательная и наиболее обобщенная информация. Последнее достигается тем, что от нейронов среднего мозга, таламуса и коры больших полушарий идут нисходящие тормозные пути, которые по мере необходимости тормозят проведение сенсорной информации в центр.

Существование нисходящих путей, с одной стороны, подчеркивает, что спинальные, стволовые и таламические структуры сенсорных систем не просто релейные станции, а места контроля передачи афферентной импульсации с нижележащих уровней на вышележащие, а с другой стороны - позволяет говорить о важной роли обратных связей в деятельности сенсорных систем.

►Основные принципы функционирования проводникового и коркового отделов сенсорных систем.

Принцип многоканальности означает наличие на каждом уровне сенсорной системы множества нейронов, связанных с множеством нейронов следующего уровня, что обеспечивает сенсорной системе точность и детальность анализа сигналов. Кроме того, дублирование каналов обработки и передачи информации является одним из путей обеспечения надежности работы сенсорных систем. Поэтому существование наряду с вышеописанными и спрямленных путей уменьшает число промежуточных звеньев переключения импульсации и коэффициент информативности передаваемого по этому каналу сигнала должен возрастать. Появление таких каналов отражает общую тенденцию к совершенствованию конструкции мозга и повышению надежности работы его сенсорных аппаратов.

Принцип многоуровневости. Поканальность проведения сигнализации предполагает многоуровневый или многоэтажный характер передачи и обработки сенсорных сообщений. Чем большее число каналов в пределах данной сенсорной системы, тем большее число переключений (своего рода передаточных «станций») характерно для каждого канала. Однако такие «станции» выполняют не только функцию сенсорных реле, но и функцию обнаружения, а также служат фильтрами или центрами перекодирования. Такая многоканальность, наряду с более детальной обработкой информации, подразумевает ее замедленную передачу в высшие мозговые центры. Но в то же время это позволяет организму быстро реагировать на простые сигналы, анализируемые уже на первых уровнях сенсорной системы. Так, например, реализация ориентировочного рефлекса с участием ядер крыши среднего мозга значительно повышает шансы организма на выживание, подготавливая его к реакции на новый внезапный световой или слуховой раздражитель. Человек, имеющий нарушения в этой области мозга, не способен к быстрой ответной реакции на неожиданное раздражение. Однако при этом в каждой сенсорной системе, по-видимому, существуют афферентные каналы срочной передачи (без переключений) в проекционные зоны коры больших полушарий, благодаря чему осуществляется преднастройка высших мозговых центров к восприятию последующей информации.

Принцип конвергенции и дивергенции, или принцип «сенсорной воронки». Надежность каналов связи еще более возрастает благодаря частичному взаимному перекрытию нейронов. Даже на рецепторном уровне, например, в сетчатке глаза, концевые разветвления одного и того же нейрона контактируют с несколькими нейронами более высокого уровня (дивергенция). В то же время один и тот же нейрон контактирует, получая импульсацию, сразу с несколькими нейронами предыдущего уровня (конвергенция). Следовательно, четкая линейность проведения информации по независимым каналам сенсорной системы не соблюдается. Это обусловлено наличием различного числа рецепторов и нейронов на соседних уровнях сенсорной системы. Например, у человека на сетчатке насчитывается 130 млн. фоторецепторов, а ганглиозных клеток, на которые передается сигнал от них, в 100 раз меньше («суживающаяся воронка»). На следующих уровнях формируется «расширяющаяся воронка» - число нейронов в первичной проекционной зоне в тысячи раз больше, чем ганглиозных клеток сетчатки. Физиологический смысл «суживающейся воронки» заключается в уменьшении избыточности информации, а «расширяющейся» - в обеспечении дробного и сложного анализа разных признаков сигнала. По-видимому, оба этих механизма необходимы для неискаженной передачи сведений об отдельных признаках и деталях наряду с объединением их при формировании целостного образа.

Принцип обратных связей. Деятельность сенсорной системы должна рассматриваться не как процесс пассивного кодирования любого раздражения в частотно модулированную импульсную сигнализацию, а как процесс активного восприятия и обработки наиболее биологически существенной информации. Сенсорную систему необходимо рассматривать не просто как пассивный канал линии связи, а как активный «сигнализатор». Сенсорная система состоит не из лестницы релейных образований, а из аппаратов управления процессом обработки и передачи информации с нижележащих уровней на вышележащие. И каждый уровень системы должен работать минимум на основе двух входов: 1) входа информации — восходящий путь и 2) входа управления — нисходящий путь. Таким образом, центральная организация сенсорной системы в совокупности прямых и обратных связей представляется в виде системы образований из надстраивающихся нервных колец (рис. 2.1).

Рис.2.1. Схема построения нейронных переключений в сенсорной системе.

Периферический чувствительный нейрон (1), передающий центростремительные импульсы как на афферентные нейроны (2) с длинным аксоном, так и на специальные переключательные нейроны (3) с коротким аксоном. Наряду с восходящими проводниками (стрелки вверх) показаны нисходящие центробежные проводники (стрелки вниз).

Наличие нисходящих связей к различным образованиям сенсорной системы говорит о том, что на их работу влияют вышерасположенные отделы многих мозговых структур. Благодаря деятельности нисходящих связей обеспечивается регуляция пороговой чувствительности и пропускной способности в сенсорных системах. Это естественно, поскольку сенсорная система может обработать за единицу времени объем информации во много раз меньший, чем тот, который может поступать на ее вход.

Направленность нисходящих влияний определяется доминирующей потребностью как предпосылкой образования доминанты при использовании аппаратов памяти. В связи с этим особенно важной оказывается кортикальная регуляция, которая осуществляет три функции: 1) пусковую, 2) корригирующую и 3) поддерживающую. Значение первой из них состоит в открытии или блокировании сенсорных входов; второй — в трансформации нервной сигнализации или в обеспечении условий, при которых ранее разбалансированные сенсорные системы могут быть приведены к такому режиму деятельности, который создает необходимые условия для их наиболее полного взаимодействия и интеграции, и третий — в поддержании возбудимости глубоких структур данной сенсорной системы на уровне, оптимально приспособленном к восприятию и передаче сигнала в восходящем направлении.

Имеющиеся данные свидетельствуют о тормозном значении обратных связей. Это становится понятным, если принять во внимание чрезвычайно высокую (можно сказать, критическую) чувствительность рецепторных образований сенсорных систем. Именно на этих уровнях сенсорных систем начинается процесс активного восприятия и обработки сигналов.

Принцип двусторонней симметрии. Любая сенсорная система построена по принципу билатеральной симметрии. Иными словами, рецепторные аппараты, соответствующие им центральные проводники и центральные мозговые структуры парные, и одна половина зеркально повторяет другую. Однако, как правило, этот принцип проявляется лишь в относительной степени, поскольку даже первичный сенсорный путь может быть связан с обоими симметричными мозговыми полушариями. Связь с контралатеральным полушарием выражена сильнее благодаря большему числу направляющихся туда сенсорных волокон. Между симметричными отделами сенсорных систем устанавливаются горизонтальные комиссуральные связи, обеспечивающие их взаимодействие.

Принцип структурно-функциональных корреляций. Неодинаковая степень кортикализации сенсорных систем и меньшее развитие глубоких структур, например, слуховой системы у человека по сравнению со зрительной свидетельствует о том, что зрительная сигнализация для некоторых животных обладает наибольшей физиологической силой, и степень кортикализации зрительной системы настолько высока, что любое повреждение коры прежде всего сказывается на дефектах зрительного распознавания, в меньшей степени отражаясь на анализе звуковых сигналов. У таких животных как дельфины, летучие мыши, имеет место другой характер корреляционных взаимоотношений между структурой и функцией, поскольку у них слуховая система выполняет более важную роль в пространственной ориентации, чем зрительная система.

►Общие представления о кодировании в сенсорных системах. Под кодированием в нервной системе обычно понимают установление соответствия между определенными параметрами сенсорного стимула и характеристиками импульсной активности (потенциала действия) нейрона и/или местом его расположения. Это соответствие может быть установлено по таким характеристикам импульсной активности, как ее частота, величина межимпульсных интервалов, степень их стабильности, распределение импульсов во времени (паттерн разряда нейрона). Поясним эти моменты.

Кодирование информации о раздражителе начинается с сенсорных рецепторов и последовательно продолжается на остальных уровнях сенсорной системы. Оно осуществляется с помощью простого и устойчивого к помехам двоичного кода, т.е. по наличию или отсутствию электрического импульса (см. р. «Основные этапы преобразования энергии внешнего стимула в рецепторный потенциал») в тот или иной момент времени. Информация о сенсорном стимуле в высшие мозговые центры передается в виде отдельных импульсов, а также групп или пачек импульсов (залпов импульсов). Амплитуда, длительность и форма каждого импульса одинаковы, в то время как число импульсов в пачке, частота их следования, длительность пачек и интервалов между ними, а также временной рисунок (паттерн) пачки различны и зависят от характеристики раздражителя. Не вызывает сомнений, что возможности такого кодирования безграничны, так как возможны самые разнообразные вариации с пачками импульсов. Кроме того, сенсорная информация кодируется также числом одновременно возбужденных нейронов, а также местом возбуждения в нейронном слое. Для реализации такого способа кодирования необходима топическая организация (соответствие упорядоченности расположения нейронов рецепторной поверхности, т.е. проведение возбуждения по связям «точка в точку») сенсорных систем, выявляемая в отношении зрительной, соматосенсорной, слуховой, обонятельной и др. систем.

Физиологическое кодирование информации имеет свои особенности. Так, осуществленный на уровне рецепторов переход качеств стимулов (их модальности) и их количественных характеристик (интенсивности, времени действия, силы) из присущей им формы физической или химической энергии в форму нервных импульсов в дальнейшем ни на одном из уровней сенсорной системы не восстанавливается в первоначальную форму стимула, т.е. не происходит декодирование. Этим физиологическое кодирование отличается от большинства технических систем связи, где сообщение, как правило, восстанавливается в первоначальном декодированном виде.

Другой особенностью кодирования является множественность и перекрытие кодов. Так, для одного и того же свойства сигнала (например, его интенсивности) сенсорная система использует несколько способов кодирования: частотой и числом импульсов в пачке, числом возбужденных нейронов и их локализацией в коре. В коре больших полушарий сигналы кодируются последовательностью включения параллельно работающих нейронных каналов, синхронностью ритмических импульсных разрядов, изменением их числа, т.е. имеет место пространственное кодирование.

Еще одна особенность сенсорного кодирования заключается в том, что способы кодирования зависят от уровня сенсорной системы. В частности, для периферических отделов типично временной кодирование признаков раздражителя, а на высших уровнях происходит переход к преимущественно пространственному коду.

Таким образом, нервный импульс (потенциал действия) является универсальным кодом сенсорных систем, а процесс передачи сенсорного сообщения сопровождается многократным перекодированием на всех уровнях сенсорных систем и завершается в высших отделах мозга.