13.2. Трансформація подразнень у рецепторах
Первинною ланкою в діяльності кожної сенсорної системи є трансформація енергії зовнішнього подразника (стимулу) в біжучий сигнал – нервовий імпульс. Рецепторні структури, в яких відбувається така трансформація, пристосовані до реагування на подразники певної природи, що відповідно позначаються як адекватні даному рецептору. Разом з тим, така пристосованість не є абсолютною, і деякою мірою рецептори можуть активуватися також і неадекватними подразниками. Спеціалізація рецепторів зумовлюється наявністю в них особливих механізмів, які дозволяють їм реагувати на дуже слабкі адекватні стимули; чутливість при цьому може досягати в деяких випадках практично межі можливості за відповідними фізичними законами.
Відповідно до адекватної енергії всі рецептори може бути розподілено на механо-, термо-, хемо- та фоторецептори. У деяких водних тварин є також електрорецептори, для яких адекватним подразником є зміни електричного поля в електропровідному зовнішньому середовищі. Усередині кожної із цих груп можна виділити кілька підгруп, рецептори яких пристосовані для реагування на ті чи інші більш вузько обмежені характеристики відповідних подразників. Разом з тим, незважаючи на таку спеціалізацію, у всіх рецепторних структур є загальний спільний механізм, наявність якого визначається спільним для кожного рецептора кінцевим завданням – викликати біжучий нервовий імпульс. Як зазначалося в попередніх розділах, єдиним шляхом створення такого імпульсу є деполяризація поверхневої мембрани закінчень (терміналей) чутливої (сенсорної) нервової клітини. Тому у всіх рецепторах зовнішня енергія має трансформуватися в цей електричний процес, який позначається як рецепторний (або генераторний) потенціал.
У деяких більш простих рецепторах така трансформація відбувається безпосередньо в мембрані нервових закінчень. Такі рецептори позначаються як первинні. Але в переважній більшості рецепторів існують додаткові клітини не нервового походження, в яких і відбувається первинна трансформація зовнішнього стимулу у клітинний процес; лише після цього такі клітини передають сигнал на чутливі нервові закінчення (як правило, шляхом виділення хімічної речовини – медіатора). Такі рецепторні структури позначаються як вторинні. Прикладом первинних рецепторів можуть бути вільні нервові закінчення у шкірі, що реагують на механічні або термічні подразнення, а також хеморецептивні закінчення нюхових нервових клітин у нюховому епітелії носової порожнини. До категорії вторинних рецепторів належать рецептори слухових, зорових і смакових органів.
Рис.13.2. Схема трансформації зовнішнього подразника в нервовий процес у рецепторі розтягнення рака;
а – схема рецептора; 1 – м’язові волокна; 2 – дендрити нервової клітини; 3 – сома нервової клітини; 4 – аксон; б – послідовні етапи трансформації сигналу: 1 – зовнішнє подразнення (розтягнення м’яза на 2 мм); 2 – деполяризаційний рецепторний потенціал; 3 – розряд імпульсів в аксоні
Пряма реєстрація рецепторних потенціалів можлива не від усіх рецепторних структур; в деяких випадках вона є складною з технічних причин (наприклад, від вільних нервових закінчень у шкірі – дуже малими є їхні розміри). Разом з тим, деякі рецептори становлять надзвичайно зручні об‘єкти для реєстрації та аналізу цих потенціалів, і на їхньому прикладі можна добре проілюструвати основні закономірності процесу трансформації зовнішнього подразнення у клітинний процес.
До таких рецепторів належать рецептор розтягнення клешні в раків, структуру якого показано на рис. 13.2. При розтягненні м‘язових волокон у клешні цієї тварини відбувається деформація відростків розташованої безпосередньо у м‘язі нервової клітини, що контактує з волокнами. Така деформація приводить до деполяризації мембрани цих відростків, що і є рецепторним або генераторним потенціалом. Вона електротонічно поширюється на сому нервової клітини, де викликає активацію відповідних електрокерованих іонних каналів і генерацію потенціалів дії (нервових імпульсів). Характеристики всіх ланок цього процесу можна точно виміряти шляхом реєстрації як розтягнення м‘яза, так і електричних реакцій нервової клітини за допомогою введеного в неї мікроелектрода.
Як видно на рисунку, рецепторний потенціал є аналоговим відображенням подразнення, що відтворює амплітудні та часові характеристики останнього. Таке відтворення, яке часто позначається як трансдукцію зовнішнього подразника, має деякі особливості. Амплітуда та тривалість подразнення перетворюються на відповідні характеристики зовсім іншого фізичного процесу – зміну мембранного потенціалу. Співвідношення між цими характеристиками є лінійним, але лише в певних межах; із часом воно поступово зменшується (тобто чутливість процесу трансдукції знижується). Таке явище має назву адаптації. Після припинення подразнення спостерігається коливання мембранного потенціалу в бік його підвищення (гіперполяризації) – так звана післядія.
Поява рецепторного потенціалу, у свою чергу, дає початок наступному процесу – ритмічному розряду потенціалів дії (нервових імпульсів), які розповсюджуються по нервовому волокну (аксону) у відповідні нервові центри й у закодованій формі несуть інформацію про характеристики попередніх процесів. При цьому інтенсивність подразнення й, відповідно, амплітуда рецепторного потенціалу трансформуються в частоту цих імпульсів, а його тривалість – у тривалість розряду. Оскільки амплітуда рецепторного потенціалу внаслідок адаптації знижується, незважаючи на постійну силу подразнення, частота розряду також зменшується.
Таким чином, перетворення рецепторного потенціалу в розряд нервових імпульсів вносить обмеження у процес трансформації. Як зазначалося раніше, виникнення потенціалу дії вимагає певної порогової величина деполяризації мембрани. За допорогової величини генерація імпульсу не відбудеться. Співвідношення між інтенсивністю деполяризації та частотою розряду є обмеженим також і зверху: у зв‘язку з наявністю рефрактерності нервове волокно може передати лише певну частоту імпульсів. Завдяки дискретності сигналізації виникають обмеження також у передачі відомостей про інтенсивність подразнення: за дуже коротких сигналів вона взагалі мала б унеможливлюватися, оскільки виникаючий при цьому поодинокий одиничний імпульс підпадає під правило “все або нічого”. За подовження сигналу можливий для передачі обсяг інформації збільшуватиметься.
Проаналізовані на цьому простому прикладі принципи трансдукції та трансформації зовнішнього подразника у нервовий процес є загальними для всіх сенсорних систем організму, й різниця між ними полягає лише в різних клітинних механізмах, що забезпечують процес трансдукції й визначають максимально можливе підвищення чутливості рецептора до зовнішнього подразнення. Далі буде розглянуто особливості цього процесу в різних сенсорних системах.
Механорецептори. Описаний вище як добре проаналізований приклад трансформації механічного подразнення в активність нервової клітини є серед інших типів механорецепторів, швидше, виключенням, ніж правилом. У вищих тварин первинні механорецептори зустрічаються порівняно рідко; до них належать вільні нервові закінчення у шкірі, які обплітають корінці волосин, а також рецептори розтягнення в особливих чутливих структурах скелетних м‘язів – м’язових веретенах, де нервові закінчення також обплітають окремі м’язові волокна. У більшості випадків механорецептори являють собою вторинні рецептори, в яких механічна дія сприймається спочатку особливими клітинними структурами. У шкірі це так звані інкапсульовані механорецептори, в яких нервове закінчення розташоване всередині капсули зі сполучнотканинних клітин (тільця Мейсснера, тільця Фатер-Паччіні). Електронно-мікроскопічні дослідження свідчать, що така капсула не є просто підтримувальною структурою – між клітинами обкладинки та нервовим закінченням існують синапсоподібні з‘єднання.
Відносно природи тих процесів, що відбуваються у клітинах капсули та безпосередньо в нервових закінченнях, поки що нема прямих відомостей. На існування істотних відмін у характеристиках цих процесів у різних типах механорецепторів вказують особливості тієї імпульсної активності, яка поширюється від них по нервових волокнах. В одних випадках ця активність триває протягом усієї дії механічного стимулу, лише уповільнюючись із часом у зв‘язку з адаптацією. Такі рецептори ймовірно передають інформацію відносно сили (а також тривалості) стимулу і можуть позначатися як пропорційні. До них належать дотикові меніски (тільця Меркеля).
В інших випадках розряд імпульсів виникає лише на початку дії стимулу; рецептори адаптуються дуже швидко, й імпульсація зразу припиняється, незважаючи на продовження стимуляції. Разом з тим, вона залежить від швидкості наростання подразнення; за збільшення останньої кількість імпульсів у початковому розряді збільшується. Інакше кажучи, такий рецептор передає інформацію в основному про швидкість зміни, а не про інтенсивність стимулу, тому його можна позначити як диференційний (тобто реагуючий на похідну від стимулу). Деякі механорецептори займають за цими характеристиками проміжне положення й відповідно їх може бути позначено як пропорційно-диференційні.
Рис.13.3. Імпульсна активність різних типів шкірних рецепторів у кішки:
а – рецептор, що повільно інактивується (пропорційний); вгорі вказано силу тиску, Н/см2; б – рецептор, що швидко інактивується (диференційний); вгорі вказано швидкість прогинання шкіри де?; в – вібраційний рецептор (рецептор прискорення); вгорі вказано частоту вібрації
На рис. 13.3 наведено приклади реєстрації активності різних типів шкірних механорецепторів.
Існують також механорецептори, які пристосовані до оптимальної передачі про синусоїдальні механічні коливання (тобто вібрації). До них належать пластинчаті тільця (тільця Паччіні), які розташовані у підшкірній жировій клітковині. Це рецептори, які швидко адаптуються, оскільки за безперервної механічної стимуляції вони відповідають лише одним початковим імпульсом. Проте при синусоїдальному подразненні такий імпульс з‘являється у відповідь на кожне коливання, причому мінімальна (порогова) амплітуда таких коливань залежить від їхньої частоти; за збільшення останньої в певних межах поріг знижується пропорційно квадратичному ступеню збільшення частоти. По суті, такий рецептор реагує на прискорення прогинання шкірної поверхні, що розташована над ним, і тому може бути позначений як рецептор прискорення.
Наведений аналіз характеристик активності різних шкірних механорецепторів ілюструє другий важливий принцип, на якому ґрунтується кодування, передача та наступний аналіз інформації про зовнішні подразники в організмі. Різні аспекти одного й того самого за фізичною природою подразника сприймаються різними рецепторними структурами, й інформація про них передається далі по різних інформаційних каналах. Такі рецептори та пов‘язані з ними провідники може бути позначено як детектори відповідних властивостей подразника, відомості про які кодуються просторовим перерозподілом активності в різних сенсорних шляхах. Цей принцип просторового кодування, поряд з наведеним вище принципом частотного кодування, є основою будь-якої сенсорної діяльності.
Спеціальним видом механічних подразників є звукові коливання повітря, сприйняття яких відіграє надзвичайно важливу роль у життєдіяльності організмів, оскільки дозволяє відрізняти джерело подразнення не тільки за безпосереднього контакту з ним, але й на відстані (так звана дистанційна рецепція). Звукові коливання характеризуються силою, частотою й напрямком свого надходження, тому для трансдукції всіх цих характеристик у нервові сигнали потрібні особливо складні перетворювальні механізми.
Звукові рецептори у хребетних тварин зосереджені в порожнині скроневої кістки черепа (так званому внутрішньому вусі), в яку звукові коливання проникають через особливий звукопровідний апарат – зовнішнє та середнє вухо, розділені барабанною перетинкою. На відміну від зовнішнього та середнього вуха внутрішнє вухо заповнене не повітрям, а рідиною (ендолімфою); тому звукові коливання повітря ще до попадання на рецептори трансформуються в коливання цієї рідини. Така глибока ізоляція рецепторного апарату звукових коливань функціонально є виправданою, оскільки вона відгороджує його від інших, неадекватних механічних подразників.
Рис. 13.4 схематично ілюструє поперечний зріз тієї частини внутрішнього вуха, що містить звукові рецептори – так званого завитка (кохлеа). По всій своїй довжині завиток розділений сполучнотканинними перетинками на три проходи (східці), з яких середній містить у собі власне рецепторний апарат. Важливою його структурою є натягнута між внутрішньою та зовнішньою стінками основна або базилярна мембрана, на якій розташовуються дві групи рецепторних волоскових клітин, прикритих зверху більш вільною текторіальною мембраною. Їхня сукупність має назву Кортієвого органа. Волоскові клітини розташовані на основній мембрані по всій її довжині – від входу у завиток (який у людини робить 2,5 оберти) до його вершини. У зв‘язку зі зміною по ходу завитка його поперечного розрізу перерізу змінюється також і ширина цієї мембрани. Як це вперше припустив А. Гельмгольц, основна мембрана (а саме формуючі її поперечно-натягнуті сполучнотканинні волокна) можуть бути резонаторами звукових коливань, що надходять у внутрішнє вухо; місце максимальної амплітуди резонансних коливань при цьому має зміщуватись вздовж мембрани залежно від частоти звуку. Коливання мембрани передаватимуться на різні волоскові рецепторні клітини, і таким чином частота звуку відображатиметься в активації по-різному розміщених у просторі рецепторів.
Рис.13.4. Поперечний зріз завитка внутрішнього вуха:
1 – судинна смужка; 2 – текторіальна мембрана; 3 – зовнішні волоскові клітини; 4 – Кортіїв орган; 5 – внутрішні волоскові клітини; 6 – біполярні нервові клітини; 7 – скронева кістка
Основні положення цієї резонансної теорії слуху в ході багаторічних досліджень було перевірено експериментально й суттєво уточнено.
Звукові коливання, що надходять у внутрішнє вухо, дійсно викликають відповідні коливання основної мембрани, що мають характер стоячої хвилі. Амплітудний максимум цієї хвилі переміщується за зміни частоти звуку – він розташований біля входу у завиток за високих частот та біля його верхівки – за низьких. Сенсорні клітини подразнюються найбільш інтенсивно там, де амплітуда коливань є найбільшою, що й служить основою просторового детектування частоти звуку.
Безпосереднім подразнюючим чинником для волоскових клітин є деформація їхніх волосків вище волосин, що виступають у внутрішній простір завитка; така деформація, мабуть, посилюється коливаннями текторіальної мембрани, що прикриває волоскові клітини. Самі вони являють собою вторинні рецептори. Термінальні закінчення первинних сенсорних нервових клітин, тіла яких містяться в особливому спіральному ганглії в товщі скроневої кістки, підходять до основи волоскових клітин й утворюють з ними типові синаптичні контакти. Як і в інших рецепторних клітинах, механічне подразнення – деформація волосків – трансформується в електричну реакцію – зміну мембранного потенціалу – рецепторний потенціал, що виникає внаслідок деформації клітинної мембрани та активації в ній відповідних іонних каналів (природу яких ще недостатньо з‘ясовано). Сумарним відображенням цієї трансформації є так званий мікрофонний ефект завитка – електричні коливання, що їх можна відвести від нього навіть макроелектродом при надходженні звукової хвилі й частота яких відповідає частоті звуку. Якщо їх посилити й відтворити через гучномовець, то можна почути ті звуки, які надійшли у вухо.
Поява рецепторного потенціалу у волосковій клітині через якийсь механізм внутрішньоклітинних посередників приводить до виділення нею хімічного медіатора (ще не точно ідентифікованого) і деполяризації власне нервових закінчень і виникнення в них нервових імпульсів, що передають інформацію про звукове подразнення у вищі нервові структури. Важливо зазначити, що волоскові клітини мають на собі не тільки аферентні, але й еферентні нервові закінчення, які можуть передавати на них якісь зворотні сигнали із центральної нервової системи й модулювати їхню функцію.
Таким чином, у звуковій рецепції також має місце просторово-часове кодування характеристик зовнішнього подразника, причому обидва принципи складним чином переплітаються. За змін амплітуди й частоти звукових коливань змінюється як просторова структура активності рецепторів і пов‘язаних з ними сенсорних нервових волокон, так і частота імпульсних розрядів у кожному з них. Виділення інформації щодо цих характеристик здійснюється відповідними нервовими центрами за рахунок складної взаємодії в них синаптичних процесів збудження та гальмування, як це буде показано далі. На такій взаємодії будується також і аналіз напрямку надходження звуку, який вимагає сприйняття його двома вухами (бінауральний слух) і зіставлення латентних періодів нервових сигналів, що надходять від них у відповідні центри.
Механорецепторні клітини використовуються в організмі ще з однією спеціальною метою – для визначення положення та переміщення тіла у просторі, основаному на напрямку дії сили земного тяжіння, лінійного та обертового обертальний прискорення руху. При цьому, як і в разі слухової рецепції, включаються особливі механізми трансформації зовнішньої сили в механічну, що діє на мембрану рецепторної клітини. Такі механорецептори розташовані також у внутрішньому вусі – у його порожнинах, що мають назви – присінок (вестибулум) та півколові канали.
Рис.13.5. Структура вестибулярного апарату:
1 – скронева кістка; 2 – вертикальний півколовий канал; 3 – горизонтальний півколовий канал; 4 – купула; 5 – макули вестибулярного апарату; 6 – завиток; 7 – порожнина середнього вуха
Будову цих порожнин і розташування в них рецепторних волоскових клітин показано на рис. 13.5. У присінку рецепторні клітини згруповані у двох ділянках сполучнотканинної вистілки (макулах), і їхні волоски спрямовані всередину заповненої ендолімфою порожнини. Там вони занурені в желеподібну масу, що містить у собі кристалики солей (так звані отоліти). При нахилах голови під дією сили земного тяжіння відбувається зміщення отолітів і згинання чи, навпаки, розправляння волосків; деформація волосків, у свою чергу, приводить до виникнення в них рецепторних потенціалів і подальшої синаптичної передачі сигналів на контактуючі з волосковими клітинами нервові закінчення. Реєстрація імпульсації у відповідних аферентних волокнах показала, що вона генерується й у тому випадку, коли волоски розправлені. При згинання їх в один бік імпульсація припиняється, а в другий – збільшує свою частоту. Оскільки в кожному присінку є дві макули й вони розташовані у різних площинах – одна майже в горизонтальній, а друга – у вертикальній, то за будь-кого положення голови у просторі матиме місце особливе сполучення імпульсної активності в аферентних волокнах вестибулярних нервів, яке й передаватиме інформацію про це положення у відповідні мозкові центри.
Півколові канали, що відходять від присінку у трьох взаємно перпендикулярних площинах, також містять механорецептори у вигляді волоскових клітин, що зібрані у формі гребінчика в розширенні однієї з ніжок (ампулі) кожного з каналів. Занурені в желеподібну масу, вони перегороджують канал рухливою перетинкою (купулою). Як показали прямі спостереження, зміщення положення купули і відповідно згинання волосків відбуваються за появи в каналі струму ендолімфи. Такий струм, у свою чергу, виникає інерційно за прискорення чи уповільнення обертання голови у площині, в якій перебуває відповідний канал (горизонтальній, фронтальній чи сагітальній). Якщо обертання переходить у рівномірне, то купула вертається у своє вихідне положення, і волоски розправляються.
Таким чином, ця рецепторна система виявляється сенсором обертового прискорення. Вона сигналізує про таке прискорення розрядом нервових імпульсів, частота яких зменшується й набуває стаціонарного характеру, коли обертання стає рівномірним. У фізіологічних умовах прискорення чи уповільнення обертання є характерним видом подразнення при кожному русі голови. Рівномірне ж обертання є, як правило, штучним феноменом, який виник за рахунок розвитку техніки й тому воно не є адекватним подразником для рецепторних клітин півколових каналів.
Хеморецептори. Здатність реагувати на різні хімічні впливи є надзвичайно важливою функцією організму, яка здійснюється за допомогою спеціалізованих хеморецепторних клітин. Ця здатність дозволяє визначати джерело хімічного впливу на відстані завдяки сприйманню летючих хімічних речовин з повітря (нюх). Така хімічна рецепція є не тільки засобом пошуку їжі, але й широко використовується в комунікаціях організмів, наприклад, для приваблення представників протилежної статі при статевій поведінці чи для відлякування ворогів. Разом з тим, вона служить для оцінки хімічних речовин за безпосереднього контакту з ним під час їжі (смак). Нарешті, хімічна чутливість широко розповсюджена у внутрішніх органах (наприклад, у стінках кровоносних судин), де вона сприймає зміни хімічного складу внутрішнього середовища організму. Через такі відміни в загальних принципах функціонування клітинні механізми хеморецепції також значно відрізняються один від одного.
Нюхові рецептори розташовані на невеликій частині поверхні слизової оболонки носової порожнини в ділянці верхнього носового проходу. На рис. 13.6 показано структуру цієї частини слизової оболонки, в якій серед епітеліальних клітин видно біполярні нервові клітини. Їхній короткий і більш товстий дистальний відросток спрямований у бік слизової поверхні й закінчується потовщенням, яке несе на своїй поверхні короткі вирости (ворсинки, або цілії). Другий центральний відросток являє собою аферентне волокно. Велика кількість таких волокон, не зливаючись (як це має місце в інших сенсорних системах) в один нерв, проходить через мікроскопічні отвори решітчастої кістки у черепну порожнину й закінчується у нюхових мозкових центрах. Серед, власне, нюхових клітин перебувають також так звані базальні клітини, які мають центральний відросток, але не мають периферійного. Мабуть, вони являють собою незрілі нюхові клітини, які під час життя можуть диференціюватись і заміняти рецепторні клітини, які закінчили свій вік.
Рис.13.6. Структура нюхових рецепторів:
1 – шар слизу; 2 – ворсинки (цилії); 3 – епітеліальна клітина; 4 – нюхова (рецепторна) клітина; 5 – базальна клітина; 6 – аферентні волокна
Таким чином, нюхові рецептори є рецепторами первинного типу. Після розчинення у слизу, що вкриває слизову оболонку носової порожнини, пахучі речовини взаємодіють безпосередньо з мембраною закінчень сенсорних нервових клітин і після відповідної трансформації викликають у них певні нервові імпульси.
Пряме вивчення біофізичних механізмів функціонування цих рецепторів дуже ускладнено у зв‘язку з їхніми незначними розмірами та складністю доступу до них. Відомо, що за дії пахучих речовин у нюховому епітелії реєструються повільні електричні коливання (ольфактограма), які являють собою, вірогідно, сумарні рецепторні потенціали хеморецепторних нервових закінчень. На ольфактограму накладаються розряди імпульсів окремих нюхових нейронів.
Вражає надзвичайна різноманітність нюхових відчуттів, які важко згрупувати в окремі класи на основі психофізичних спостережень. Приблизно їх може бути поділено на квіткові, етерні, мускусні, камфорні, солодкі, гнилісні та пекучі запахи. При цьому в один і той самий клас за характером запахового відчуття потрапляють речовини зовсім різної хімічної структури. Крім того, подібні речовини можуть викликати відчуття різного типу або бути позбавленими запаху. Усе ж досягнуто певного прогресу у визначенні хімічних угруповань (так званих осмофорів), які індукують пахучі властивості при введенні їх у різні молекули-носії. Це дозволяє вважати, що в основі нюхової чутливості лежить наявність у мембрані сенсорних закінчень рецепторних структур, які здатні специфічно реагувати з відповідними осмофорами. Більш детальний аналіз утруднюється тим, що в результаті складних комбінацій ефектів різних пахучих речовин переважна кількість запахів викликає змішані відчуття. Парфумерія є гарним прикладом використання у практичних цілях виключної здатності нюхової системи до такого змішування. У цьому відношенні більш зручними для аналізу можуть бути нюхові рецепторні клітини деяких безхребетних тварин, які надзвичайно специфічно реагують тільки на певні хімічні речовини (що використовуються як комунікаційні сигнали чи сигнали для пошуку їжі). Про можливу наявність у нашій нюховій системі рецепторних клітин, що специфічно реагують на певні осмофори, говорять випадки появи в деяких людей часткової аносмії, тобто зникнення або значного зниження чутливості тільки до певної групи пахучих речовин.
Характерною рисою нюхової рецепції є її надзвичайна чутливість, що іноді перебуває на межі фізичної можливості. Людина сприймає деякі пахучі речовини в концентрації 10-10 моля, а деякі безхребетні тварини – на кілька порядків нижчій. Для нюхової чутливості характерна також значно розвинута адаптація до дії пахучих речовин, яка носить вибірковий характер. Ця обставин також вказує на наявність у нюховій системі роздільних рецепторів для сприйняття різних пахучих речовин.
Разом з тим, незважаючи на таку неясність питання про механізм рецепції пахучих речовин, за останні роки одержано досить вагомі відомості про механізм трансдукції нюхових сигналів у нервовий імпульс. Зв’язування пахучої речовини (одоранту) з відповідним мембранним рецептором через посередництво особливих примембранних білків (так званих G-білків) викликає синтез з АТФ в
Рис.13.7. Механізм трансдукції нюхових подразнень:
1 – схема нюхової рецепторної клітини; 2 – механізм молекулярних зв’язків між активацією нюхових рецепторів та іонною проникністю мембрани рецепторної нервової клітини
первинних сенсорних нейронах особливого внутрішньоклітинного посередника – циклічного 3’.5’-аденозинмонофосфату (цАМФ) завдяки активації відповідного ферменту – аденілатциклази (АЦ). У свою чергу цАМФ безпосередньо активує особливі нуклеотидчутливі іонні канали мембрани цих нейронів, викликаючи появу вхідного трансмембранного струму іонів Na+ та Ca2+ і відповідне зниження існуючого мембранного потенціалу. Додатково іони Са2+, що входять у клітину, можуть взаємодіяти з кальмодуліном й активувати інші механізми мембранної іонної проникності (рис.13.7). Виникаюча деполяризація і є рецепторним потенціалом, що далі трансформується в розряд нервових імпульсів. З особливою роллю в певних видах рецепції хемочутливих іонних каналів, які управляються циклічними нуклеотидами із цитоплазматичного їхнього боку, ми ще зустрінемось при розгляді зорової рецепції.
Смакові хеморецептори, як і нюхові, зосереджені у вищих тварин і людини на обмеженій поверхні – на особливих виростах (сосочках) слизової оболонки язика. Рецепторні клітини містяться тут у невеликій кількості (кілька десятків) в особливих структурах – смакових цибулинах (рис. 13.8) і являють собою вторинні рецептори, сполучені з нервовими закінченнями аферентних волокон синаптичними з‘єднаннями. Сприймаюча поверхня рецепторних клітин утворює виростки (цілії), які спрямовані в бік заглиблення на вершині цибулинки, що, у свою чергу, відкривається отвором (так званою порою) на поверхні слизової оболонки. Тому хімічні речовини з ротової порожнини мають спочатку розчинитися у слизу й потрапити всередину пори, перш ніж подіяти на рецепторні структури.
На відміну від нюхових рецепторів, смакові рецептори чітко поділяються на чотири типи, які за характером відчуття, що виникає при їх подразненні, позначаються як рецептори солоного, кислого, солодкого та гіркого (у східних народів часто виділяється ще особливий смак м‘яса – так званий умамі). Усе різноманіття смакових відчуттів, що ми сприймаємо, становить лише комбінацію цих основних модальностей (при цьому слід мати на увазі, що те, що ми розуміємо як смак їжі, є складним відчуттям і складається із сполучення смакових, нюхових, тактильних і температурних відчуттів). Зазначені типи рецепторних клітин нерівномірно розподілені по поверхні язика, і тому смак різних хімічних речовин неоднаково сприймається різними його ділянками, про що легко пересвідчитися на власному досвіді.
Однозначної відповідності між структурою хімічної речовини та типом реагуючої на неї рецепторної клітини, як і у випадку нюхової чутливості, не спостерігається. Так, “солодкими” є багато вуглеводів, але також і синтетичні сполуки, що не мають нічого спільного з ними (наприклад, сахарин); “гіркими” є багато алкалоїдів рослинного походження, а також і хлорид калію.
Рис.13.8. Структура смакового рецептора (смакової цибулинки):
1 – пора; 2 – епітелій; 3 – ворсинки (цилії); 4 – первинні смакові клітини;
5 – синаптичні з’єднання; 6– базальні клітини; 7 – аферентні волокна
У зв‘язку з тим, що смакові рецепторні клітини є відносно великими за розміром, від них можна за допомогою мікроелектрода здійснити внутрішньоклітинне відведення потенціалів і зареєструвати рецепторні потенціали, що виникають під дією певних хімічних речовин. При цьому з‘ясувалося, що такі клітини є не дуже специфічними й можуть відповідати на дію речовин, що належать до всіх чотирьох груп смакових подразників, але при цьому деякі з них виявляють значно сильнішу подразнювальну силу, ніж інші. Відповідно при реєстрації імпульсної активності в аферентних волокнах смакового (язикоглоткового) нерва повна специфічність також не спостерігається. Разом з тим, виділяються волокна, в яких речовини певної групи викликають значно інтенсивніший розряд імпульсів, ніж інші речовини. Тому остаточне визначення модальності подразника, як і в інших вже розглянутих сенсорних системах, має відбуватись у вищих ланках смакової системи на основі оцінки й особливостей просторового розподілу імпульсації по аферентних волокнах різних типів.
Клітинні механізми трансдукції дії хімічних речовин у рецепторні потенціали смакових рецепторних клітин вивчено не достатньо. Вони можуть бути досить різними залежно від смакових модальностей. Так, для кислого смаку, що відчувається внаслідок присутності кислот, можливим є пряма дія протонів на певні структури рецепторної мембрани, що приводить до збільшення її іонної проникності та виникнення відповідного трансмембранного струму. Солоний смак (присутність, наприклад, хлориду натрію) може бути спричинено впливом іонів Na+ на механізм активного перенесення іонів через рецепторну мембрану, що також може супроводжуватись електрогенним ефектом. Для гіркого та солодкого смаків, без сумніву, необхідна присутність якихось внутрішньоклітинних посередників, синтез яких запускається активацією відповідних мембранних рецепторів і які, у свою чергу, відкривають у мембрані необхідні іонні канали.
Терморецептори. Сприйняття температури зовнішнього середовища та її змін є також дуже важливою властивістю організму, що визначає його поведінку (особливо теплокровних). Як свідчать психофізичні спостереження, йдеться про дві різні рецепторні системи – сприймання холоду та сприймання тепла. За локального температурного подразнення невеликих ділянок шкірної поверхні можна легко показати їхнє різне просторове розташування у вигляді так званих теплових і холодових точок.
Біофізичні механізми трансформації температурного впливу в нервовий імпульс ще не з‘ясовано, немає також переконливих даних про те, які саме рецепторні структури відповідають за терморецепцію. Можливо, це вільні нервові закінчення, які і є, таким чином, первинними рецепторами. Разом з тим, особливості імпульсних розрядів в аферентних волокнах, що несуть інформацію про температурний подразник, вивчено досить детально. Вони характеризують наявністю двох компонентів – статичного та динамічного. За постійної температури шкіри у відповідних аферентних волокнах спостерігається імпульсна активність також сталої частоти. Для “холодових” волокон ця частота збільшується при охолодженні до певного максимуму, а далі починає спадати. Для “теплових” волокон вона також підвищується, але при нагріванні теж до певного максимуму. У проміжній температурній зоні (приблизно 31–36оС) імпульсація спостерігається як у холодових, так і в теплових волокнах. Цей стан відповідає зоні комфорту, за якої суб‘єктивно не відчувається ні холод, ні тепло. За різкої зміни температури виникає динамічна відповідь – швидкий розряд імпульсів, частота якого залежить не тільки від величини температурного зміщення, але й від його швидкості. Така відповідь виникає при підвищенні температури у теплових волокнах, а при зниженні – відповідно у холодових.
Фоторецептори. Фоторецепторна система є складною за своєю організацією порівняно з іншими рецепторними системами. Цю складність зумовлено особливостями її онтогенетичного розвитку у хребетних тварин, у ході якого вона закладається як частина центральної нервової системи, що потім зміщується на периферію, де диференціюється у світлосприймаючу структуру ока – сітківку (ретину).
Власне фоторецепторні клітини – палички та колбочки – розташовані в найглибшому за напрямком ходу світла шарі сітківки, що межує з пігментним епітелієм (рис. 13.9), тому світло до того, як потрапити на неї, має пройти через кілька шарів нервових елементів. Така інвертована побудова ока є характерною для всіх хребетних тварин. Колбочки є рецепторними елементами центральної частини сітківки, на яку проектується оптична вісь фокусуючих оптичних елементів очного яблука, а палички – рецепторними елементами периферичних її частин. Як палички, так і колбочки поділяються на два сегменти, з’єднані між собою тонкою ніжкою (цілією). Зовнішній сегмент (спрямований до пігментного епітелію) містить у собі світлосприймаючий механізм, а внутрішній – ядро та інші внутрішньоклітинні структури.
Рис.13.9. Структура сітківки ока:
1 – пігментний епітелій; 2 – колбочки й палички (фоторецептори); 3 –горизонтальна клітина; 4 – біполярна клітина; 5 – амакринна клітина; 6 – гангліозна клітина; 7 – гліальна (мюллерівська) клітина; 8 – зоровий нерв. Стрілкою вказано напрям дії світла
В основі трансформації енергії світла як у колбочках, так і в паличках лежить фотохімічна реакція, що виникає в особливих макромолекулярних сполуках – зорових пігментах. Цю трансформацію досліджено найбільш детально в паличках, в яких зоровим пігментом є зоровий пурпур або родопсин. Родопсин міститься в особливих внутрішньоклітинних мембранних структурах зовнішнього сегмента – так званих мембранних дисках, де він вмонтований у ліпідний бішар. Він інтенсивно поглинає світло, маючи при цьому два максимуми поглинання: у видимій області спектра (500 нм) та в ультрафіолетовій (350 нм). Аналогічно розташований зоровий пігмент колбочок, але не в ізольованих внутрішньоклітинних дисках, а у глибоких прогинаннях прогинах плазматичної мембрани.
При поглинанні світла відбувається хімічне перетворення родопсину, основним моментом якого є фотоізомеризація групи, що має назву хромофору або ретиналю, а саме перехід її із цис- у транс-форму й кінцеве перетворення на так званий метародопсин. Цей перехід супроводжується низкою інших перетворень і закінчується відщепленням метародопсину від білка-носія (опсину). Відновлення вихідної конформації родопсину можливе лише в темноті за участю ферментів пігментного епітелію, саме тому необхідною є орієнтація світлочутливих клітин у глиб сітківки. За різних рівнів освітлення відбувається зміщення рівноваги цих реакцій у той чи інший бік; відповідно змінюється й концентрація світлочутливого пігменту та чутливість рецепторів до світла (адаптація).
Хімічну структуру зорових пігментів колбочок вивчено менш детально. Але за допомогою мікрофотометричних вимірювань спектрів поглинання окремих клітин встановлено важливий факт: залежно від максимуму поглинання світлової хвилі вони розділяються на три типи, що відповідають червоній, зеленій і синій частинам спектра. Отже, окремі колбочки містять якийсь один з трьох типів світлових пігментів. Ця особливість лежить в основі здатності зорового апарату розрізняти довжину світлової хвилі (її колір). Палички, які містять родопсин, є однаковими за своїми спектрами поглинання, тому вони не можуть служити детекторами довжини світлової хвилі і є детекторами лише її інтенсивності.
Рис.13.10. Рецепторні (гіперполяризаційні) потенціали в паличках і колбочках:
1 – рецепторні потенціали при тривалому світловому подразненні; 2 – рецепторні потенціали при короткому (10 мс) спалаху світла різної інтенсивності
Разом з тим, завдяки високій чутливості вони здатні реагувати на дуже слабкі подразнення, й тому вони є апаратом сутінкового зору. Пігменти колбочок характеризуються значно меншою чутливістю й тому використовуються організмом для денного зору.
Конформаційні зміни молекул зорових пігментів шляхом складних внутрішньоклітинних процесів приводять урешті до змін мембранного потенціалу тієї частини палички чи колбочки, яка контактує з наступними нервовими елементами сітківки, тобто до виникнення рецепторного потенціалу, амплітуда й тривалість якого відображають відповідні характеристики світлового подразнення. На відміну від усіх інших рецепторів, цей рецепторний потенціал має не деполяризаційну, а гіперполяризаційну природу. Прямі мікроелектродні реєстрації показують, що мембранний потенціал фоторецепторної клітини може збільшуватися під впливом світла від – 25 до –40 мВ (рис. 13.10).
Механізм спряження між процесами перетворення зорових пігментів, що відбувається у вищенаведених дисках чи мембранних прогинах, та змінами мембранного потенціалу рецепторної клітини є дуже складним і включає кілька етапів. Одним з них є вивільнення з дисків акумульованих там посередників (трансдуцинів), другим – утворення у клітині циклічного гуанозинмонофосфату (цГМФ) за рахунок активації Са2+-залежного ферменту гуанілілциклази. При цьому іонні канали, що створюють вхідний струм (проникні для іонів Na+ та Са2+), виявляються постійно активованими у темряві під дією цГМФ. Тому в темряві в рецепторні клітини через активовані канали (а також через Na+/K+ обмінники) постійно надходять іони Na+, які потім виводяться з них системами транспортних Na+ /K+-АТФаз (рис .13.11). При дії світла посередники, що вивільняються з дисків, перетворюють цГМФ на неактивні 5’-гуанозинмонофосфат (5’ ГМФ) і гуанозиндифосфат (ГДФ) за рахунок активації відповідного ферменту фосфодіестерази (ФДЕ); тому згадані канали закриваються (на відміну від того, що відбувається при подразненні нюхових рецепторів). Відповідно мембранний потенціал, як вже зазначено вище, підвищується. Виникнення рецепторних потенціалів може бути зареєстровано також від поверхні цілого ока за допомогою макроектродів (так звана електроретинограма), але в цьому разі вони ускладнюються електричними ефектами, що виникають в інших елементах сітківки (клітинах пігментного епітелію, нервових і гліальних клітинах), і тому мають досить складний часовий перебіг.
Рис.13.11. Механізм трансдукції світлових подразнень:
1 – зовнішній сегмент клітини; 2 – цилія; 3 – внутрішній сегмент;
Т – трансдуцин, що вивільняється при дії світла та активує фосфодіестеразу (за участю ГТФ). Остання містить механізм інактивації цГМФ, який у темряві підтримує іонні канали мембрани у відкритому стані за рахунок активації гуанілілциклази іонами Са2+ (через посередництво модуляторного білка МБ). Зірочками позначено енергоємні перетворення
За допомогою синаптичних зв’язків електричні зміни на мембрані фоторецепторних клітин передаються на пов‘язані з ними нервові елементи – біполярні клітини. Останні, у свою чергу, через відповідні синаптичні сполучення пов‘язані з гангліозними клітинами, аксони яких утворюють волокна зорового нерва. Поряд з такими послідовними з‘єднаннями між нервовими елементами сітківки існують також поперечні зв‘язки, що здійснюються особливими горизонтальними та амакринними клітинами (рис. 13.9).
Синаптична передача між клітинними елементами сітківки також має свої особливості, що відрізняє її від такої в інших збудливих структурах. У зв‘язку з гіперполяризаційним типом рецепторного потенціалу в паличках і колбочках при світловому подразненні тут відбувається не виділення синаптичного медіатора, а, навпаки, гальмування фонового його виділення, що має місце в темряві. Лише в біполярних нейронах характер синаптичної дії змінюється на звичайний, деполяризуючий - у гангліозних клітинах у відповідь на світлове подразнення вже виникає деполяризаційний збуджуючий постсинаптичний потенціал, що генерує розряд імпульсів у волокнах зорового нерва. Разом з тим, і в біполярних клітинах, характер активності теж є своєрідним. У зв‘язку з дуже малим розміром цих клітин (кілька сотень мікрометрів) електричний сигнал від одного їхнього відростка до іншого може передаватись електротонічним шляхом, без участі механізму регенеративного електрогенезу (генерації потенціалів дії).
Оскільки нейрональна структура сітківки відзначається такою надзвичайною складністю й являє собою фактично винесений на периферію нервовий центр, у ній уже відбувається складна переробка інформації, що надходить від рецепторних елементів. Загальні принципи такої переробки буде розглянуто нижче.
Важливою особливістю фоторецепторної системи є її здатність розрізняти не тільки інтенсивність світла та довжину його хвилі, але також і просторове розташування джерел випромінювання світла. Завдяки такій властивості зір виявляється ведучою сенсорною системою, яка дозволяє організму орієнтуватись у просторі. Просторовий зір забезпечує наявність в оці особливої оптичної системи, яка створює на сітківці зображення зовнішнього світу. Основними елементами цієї оптичної системи є світлозаломлюючі середовища – рогівка (корнеа) та кришталик. Їхні характеристики в нормі є такими, що вони фокусують паралельні промені (тобто промені, які надходять від віддалених предметів) на поверхні сітківки. Характеристикою оптичної системи є її заломлююча сила RP = 1/f, де f – фокусна відстань. Якщо фокусна відстань визначається в метрах, то одиницею заломлюючої сили (рефракції) є діоптрія (Д). Загальна заломлююча сила оптичного апарату людського ока, яка визначається будовою рогівки та кришталика, дорівнює 58,6 Д.
Дуже важливою є здатність ока змінювати силу заломлення світла за рахунок зміни кривизни кришталика (акомодації). Це відбувається завдяки наявності в ньому внутрішнього еластичного напруження, що вивільняється при скороченні кругового війчастого (ціліарного) м‘яза, до якого за допомогою особливої зв‘язки прикріплюється кришталик. Завдяки акомодації око може створювати на сітківці сфокусоване зображення не тільки віддалених, але й близьких предметів, промені від яких розходяться. На жаль, з віком відбувається неминуче зменшення еластичних властивостей кришталика й відповідне погіршення здатності до акомодації (стареча далекозорість).
Важливим елементом оптичної системи ока є також наявність діафрагми, що створюється райдужною оболонкою (ірис) з отвором посередині (зіниця). Завдяки наявності в райдужній оболонці системи кільцевих і радіальних гладеньких м‘язових волокон, що іннервуються відповідно симпатичними й парасимпатичними нервовими волокнами, діаметр зіниці може рефлекторно регулюватися, змінюючи залежно від рівня освітлення кількість світла, що надходить до сітківки. При звуженні зіниці водночас відбувається поліпшення оптичних властивостей ока за рахунок зменшення явищ сферичної та хроматичної аберації. За низького рівня освітлення зіниця, навпаки, розширюється й пропускає до сітківки більше світла, але при цьому погіршуються оптичні властивості ока.
Створене оптичним апаратом зображення на сітківці далі аналізується рецепторними елементами, які утворюють растрову систему. Роздільну здатність останньої зумовлено низкою анатомічних і біофізичних факторів. У першу чергу це розмір рецепторних клітин та засіб їх поєднання з наступними ланками зорової системи. У центральній ямці – тій частині сітківки, на яку проектуються промені від предмета, що фіксується зором, розміри рецепторних клітин (колбочок) є мінімальними. Крім того, кожна з них поєднана з окремою біполярною, а далі гангліозною клітиною, що надсилає своє волокно у зоровий нерв. Тому гострота зору (вимірюється тим мінімальним кутом, під яким промені від двох точок мають досягати сітківки для того, щоб вони сприймались як роздільні) тут є максимальною.
У бік від центральної ямки основними рецепторними елементами стають палички. Їхні зв‘язки з наступними нервовими елементами характеризуються широкою конвергенцією, тобто сходженням багатьох елементів до одного передаючого каналу. Тому гострота зору в цій частині сітківки істотно знижується. Разом з тим, відбувається підвищення чутливості системи за рахунок сумації за такої конвергенції більш слабких сигналів від окремих рецепторів.
Разом з тим, роздільна здатність ока визначається також фізичними характеристиками його оптичної системи. Будь-яке порушення чіткості зображення (завдяки аберації, зміні заломлюючих властивостей, помутнінню прозорих середовищ), у свою чергу, знижуватиме гостроту зору.
Зрозуміло, що зображення зовнішнього середовища, яке виникає на сітківці, дуже відрізняється від самого середовища передусім надзвичайно зменшеними розмірами. Крім того, воно є також перевернутим. Проте в наших зорових відчуттях ми оцінюємо всі ці характеристики середовища правильно. Така здатність до корекції, яка набувається в ході індивідуального розвитку організму, забезпечується подальшою переробкою сигналів від фоторецепторів, що відбувається у вищих відділах зорової системи. Надзвичайні можливості перебудови цих процесів можна проілюструвати відомими спробами на досліджуваних, яким надягали окуляри, що обертали зображення на сітківці на 180о. Упродовж певного часу зорова орієнтація у просторі в таких людей була повністю порушеною, проте через певний час вони знову набували здатності правильно бачити навколишній світ.
Істотним фактором у зоровому сприйманні навколишнього середовища є бачення двома очима – бінокулярний зір, тобто навколишні предмети не подвоюються, а сприймаються як різновіддалені. Як можна легко пересвідчитись на власному досвіді, при переході від бінокулярного бачення до монокулярного (одним оком) сприймання взаємної віддаленості навколишніх предметів (глибини простору) різко погіршується. Фізичною основою бінокулярного зору є перекриття полів зору кожного ока, яке досягається за рахунок висококоординованої діяльності багатьох м‘язів, що рухають очі. Ця діяльність приводить до того, що при фіксації якогось предмета двома очима його зображення потрапляє на ідентичні точки обох сітківок (на ділянці центральної ямки) за рахунок зведення (конвергенції) їхніх зорових осей. Зображення ж предметів, що розташовані ближче або далі від предмета фіксації, виявляються віддаленими від центральної ямки в обох сітківках на різні відстані й потрапляють на невідповідні (диспаратні) їхні точки. Така просторова невідповідність сигналів. що надходять до зорових центрів від обох очей, і є носієм інформації про різну віддаленість джерел, що випромінюють світлові промені.
Ноцицептори (больові рецептори). Больові рецептори являють собою зовсім особливу групу рецепторних структур, що характеризуються відсутністю специфічної чутливості до якогось певного виду зовнішньої енергії. дії Основною умовою активації таких рецепторів є значна інтенсивність зовнішнього впливу, яка може ушкодити організм. Функціональне значення такого виду рецепції надзвичайно велике – вона сигналізує про небезпечність впливу й викликає комплекс реакцій, спрямованих на усунення цього впливу. Больові рецептори є широко розповсюдженими на зовнішніх поверхнях організму – шкірі та слизових оболонках, а, крім того, й у деяких внутрішніх органах – в основному в їхніх оболонках (плеврі, перикарді, твердій мозковій оболонці).
Питання про структуру больових рецепторів є досі дискусійним. До останнього часу значною підтримкою користувалася гіпотеза, згідно з якою ноцицептивні сигнали виникають не у спеціальних високопорогових структурах, а у звичайних рецепторних. При цьому сигналом про ушкоджуючий вплив є особливий характер імпульсного розряду, який оцінюється в центральних нервових структурах як больовий.
Наявність окремих ноцицепторів не викликає сумнівів. Так, у шкірі при дуже локальному подразненні гострим предметом чітко виділяються точки, дія на які спричинює відчуття гострого болю. З найбільшою ймовірністю до ноцицепторів можна віднести вільні нервові закінчення, які, таким чином, є первинними рецепторами. Особливо чітко належність вільних нервових закінчень до ноцицепторів видно в рогівці ока – поверхні, яка має найвищу больову чутливість в організмі. Вільні нервові закінчення є в рогівці єдиним видом рецепторних структур; вони також є єдиним типом нервових закінчень у деяких внутрішніх органах, розтягування яких викликає сильні больові відчуття. Разом з тим, існує, мабуть, між певна спеціалізація ноцицепторів: певні больові точки сильніше подразнюються сильною механічноб дією, інші – сильними температурами, а деякі з них є однаково чутливими до тих і до тих.
У зв‘язку з невеликими розмірами вільних нервових закінчень важко визначити біофізичні механізми трансформації в них подразнення в нервовий сигнал. Можливо, що в деяких випадках у цьому процесі беруть участь проміжні механізми у вигляді хімічних змін в оточуючих тканинах (зниження рН, виділення особливих біологічно активних речовин), які потім активують відповідні мембранні рецепторні структури.
Характерною особливістю ноцицепторів є відсутність у них виявленої адаптації, більше того, в деяких випадках відмічається протилежне явище – підвищення ефективності подразнення за тривалої його дії (сенситизація). Ця особливість відповідає функціональному призначенню больової чутливості – попередження організму про небезпеку, яка ні якою мірою не послаблюється при продовженні шкідливої дії.