kossitsky

Без информации, поступающей в мозг, не могут осуществляться простые и сложные рефлекторные акты вплоть до психической деятельности человека. И. М. Сеченов указывал, что психический акт не может явиться в сознании без внешнего чувственного возбуждения.

Физиология сенсорных систем вместе с павловским учением о высшей нервной деятельности является естественно-научной основой ленинской теории отражения. В. И. Ленин сформулировал ряд основных положений этой теории следующим образом: «Ощущение есть превращение энергии внешнего раздражения в факт сознания; это — субъективный образ объективного мира»; «Познание... не простое, не непосредственное, не цельное отражение, а процесс ряда абстракций, формирования, образования понятий, законов '...; практика человека и человечества есть проверка, критерий объективности познания» 2. Эти философские положения находят подтверждение и глубокое обоснование в новейших данных науки о мозге и физиологии сенсорных систем.

В. И. Ленин вскрыл идеалистическую сущность концепции Иоганнеса Мюллера «о специфической энергии органов чувств», согласно которой ощущения (свет, звук, запах и т.д.) образуются за счет разрядов некой специфической энергии, заложенной в рецепторах. Правильно указывая, например, что ощущение света получается при различных воздействиях на глаз (свет, электрическое раздражение, давление на глазное яблоко), И. Мюллер был склонен отрицать, что наши ощущения — образы объективной реальности. Сейчас установлено, что от всех рецепторных образований в мозг поступают стандартные неспецифические электрические импульсы.

Учение об анализаторах было создано И. П. Павловым. Анализатором И. П. Павлов считал совокупность нейронов, участвующих в восприятии раздражений, проведении возбуждения, а также анализе его свойств клетками коры большого мозга. Анализатор впервые рассматривался И. П. Павловым как единая система, включающая рецепторный аппарат (периферический отдел анализатора), афферентные нейроны и проводящие пути (проводниковый отдел) и участки коры больших полушарий мозга, воспринимающие афферентные сигналы (центральный конец анализатора). Опыты с удалением участков коры и исследованием возникающих вслед за этим нарушений условнорефлекторных реакций привели И. П. Павлова к заключению о наличии в корковом отделе анализатора первичных проекционных зон (ядерных зон) и так называемых рассеянных элементов, анализирующих поступающую информацию вне ядерной зоны коры большого мозга. Еще до появления современных аналитических (в частности, электрофизиологических) методов исследования И. П. Павлов сделал доступным для объективного экспериментального анализа пространственно-временное взаимодействие нервных процессов на высших, корковых уровнях анализаторных систем.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АНАЛИЗАТОРОВ

При исследовании функции анализаторов используются различные экспериментальные и клинические методы, психофизиологические исследования восприятия человека, исследования сенсорных процессов на животных методом условных рефлексов, электрофизиологический, морфологический, биохимический анализ, исследование сенсорных процессов по показателям тех или иных вегетативных функций и др.

В последние годы все большее распространение получает моделирование и протезирование сенсорных функций. Моделирование позволяет изучать на искусственно созданной модели взаимодействие элементов или нервных центров, которое сегодня недоступно для других методов. Протезирование позволяет практически проверить истинность наших знаний о строении и функциях анализаторов. В качестве примера можно привести работы по протезированию зрения у слепых людей методом создания в зрительной коре различного сочетания точечных возбуждений от локального

1Ленин В. И. Поли. собр. соч., т. 29, с. 163—164.

2Т а м ж е, с. 193.

431

электрического раздражения. Изображение воспринимается миниатюрной телекамерой. Сложная электронная система преобразования сигналов и матрица из нескольких сот точечных электродов, помещаемая на поверхности затылочных долей мозга, дают возможность слепому различать относительно несложные контурные изображения. Усовершенствование таких протезов, основанное на развитии техники и углублении наших знаний в области нейрофизиологии, обещает в будущем избавление от слепоты, связанной с поражением глаз или подкорковых отделов зрительного анализатора. Подобные электронные протезы разрабатываются и для восстановления слуховой функции («электронная улитка»).

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СТРОЕНИЯ АНАЛИЗАТОРОВ

Всем анализаторным системам высших позвоночных животных и человека свойственны следующие основные принципы строения:

1. Многослойность, т. е. наличие нескольких слоев нервных клеток, первый из кото рых связан с рецепторными элементами, а последний — с нейронами ассоциативных отделов коры полушарий большого мозга. Между собой слои связаны проводящими путями, образованными аксонами их нейронов. Такое построение анализаторов обеспе чивает возможность специализации разных слоев по переработке отдельных видов информации, что позволяет организму более быстро реагировать на простые сигналы, анализируемые уже на промежуточных уровнях. Кроме того, это создает условия для тонкого регулирования этих процессов путем влияний, исходящих из более высоких слоев данной системы и других отделов мозга.

2. Многоканальность анализаторных систем означает наличие в каждом из их слоев множества (обычно десятки тысяч, а иногда до миллионов) нервных элементов, связан ных со множеством элементов следующего слоя, которые в свою очередь посылают нервные импульсы к элементам более высокого уровня. Наличие множества каналов обеспечивает анализаторам животных большую надежность и тонкость анализа.

3.Неодинаковое число элементов в соседних слоях, так называемых сенсорных «воронок». Примером может служить зрительная система, где слой фоторецепторов в каждой из двух сетчаток человека имеет 130 млн. элементов, а в слое выходных — ганглиозных клеток сетчатки — всего 1 млн. 250 тыс. нейронов.

Это пример суживающейся «воронки». Однако на более высоких уровнях зрительной системы формируется расширяющаяся «воронка»: число нейронов в первичной проекционной области зрительной коры в тысячи раз больше, чем в подкорковом зрительном центре или на выходе сетчатки. В слуховом и ряде других анализаторов представлена только расширяющаяся «воронка» по направлению от рецепторов к коре.

Физиологический смысл явления суживающихся воронок сводится к уменьшению количества информации, передаваемой в мозг, а в расширяющихся «воронках» —

кобеспечению более дробного и сложного анализа разных признаков сигналов.

4.Дифференциация анализаторов по вертикали и по горизонтали. Дифференциация по вертикали заключается в образовании отделов, состоящих обычно из того или иного числа слоев нервных элементов. Отдел — более крупное морфофункциональное образова ние, чем слой элементов. Каждый такой отдел (например, обонятельные луковицы,

кохлеарные ядра или коленчатые тела) имеет определенную функцию.

Различают обычно рецепторный, или периферический, отдел анализаторной системы, один или чаще несколько промежуточных отделов и корковый отдел анализатора.

Дифференциация анализаторных систем по горизонтали заключается в различных свойствах рецепторов, нейронов и связей между ними в пределах каждого из слоев.

Длительное время в физиологии анализаторов широко употреблялось понятие «сенсорные реле». Имелись в виду нейроны и их совокупность в промежуточных отделах сенсорных систем, осуществляющие будто бы простую переключательную или релейную функцию на пути сигналов из рецепторных образований к корковым центрам. Однако в последнее время в связи с выяснением важной и специфической роли подкорковых нервных центров в переработке (а не только передаче) сенсорной информации термин «реле» по отношению к ним не употребляется.

432

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ АНАЛИЗАТОРОВ

Анализаторы выполняют большое количество функций или операций с сигналами. Среди них важнейшие: I. Обнаружение сигналов. II. Различение сигналов. III. Передача

ипреобразование сигналов. IV. Кодирование поступающей информации. V. Детектирование тех или иных признаков сигналов. VI. Опознание образов. Как и во всякой классификации это деление несколько условно.

Обнаружение и различение сигналов (I, II) обеспечивается прежде всего рецепторами, а детектирование и опознание (V, VI) сигналов высшими корковыми уровнями анализаторов. Между тем передача, преобразование и кодирование (III, IV) сигналов свойственны всем слоям анализаторов.

I. Обнаружение сигналов начинается в рецепторах — специализированных клетках, эволюционно приспособленных к восприятию из внешней или внутренней среды организма того или иного раздражителя и преобразованию его из физической или химической формы в форму нервного возбуждения.

Классификация рецепторов. Все рецепторы разделяют на две большие группы: внешние, или экстерорецепторы, и внутренние, или интерорецепторы. К экстерорецепторам относятся: слуховые, зрительные, обонятельные, вкусовые, осязательные рецепторы,

кинтерорецепторам — висцерорецепторы (сигнализирующие о состоянии внутренних органов), вестибуло- и проприорецепторы (рецепторы опорно-двигательного аппарата).

По характеру контакта со средой рецепторы делятся на дистантные, получающие информацию на некотором расстоянии от источника раздражения (зрительные, слуховые

иобонятельные), и контактные — возбуждающиеся при непосредственном соприкосновении с ним.

Взависимости от природы раздражителя, на который они оптимально настроены, рецепторы человека могут быть разделены на 1) механорецепторы, к которым относятся рецепторы слуховые, гравитационные, вестибулярные, тактильные рецепторы кожи, рецепторы опорно-двигательного аппарата, барорецепторы сердечно-сосудистой системы; 2) хеморецепторы, включающие рецепторы вкуса и обоняния, сосудистые и тканевые рецепторы; 3) фоторецепторы; 4) терморецепторы (кожи и внутренних органов, а также центральные термочувствительные нейроны); 5) болевые (ноцицептивные) рецепторы, кроме которых болевые раздражения могут восприниматься и другими рецепторами.

Все рецепторные аппараты делятся на первичночувствующие (первичные) и вторичночувству'ющие (вторичные). К первым относятся рецепторы обоняния, тактильные рецепторы и проприорецепторы. Они отличаются тем, что восприятие и преобразование энергии раздражения в энергию нервного возбуждения происходит у них в самом чувствительном нейроне. К вторичночувствующим относятся рецепторы вкуса, зрения, слуха, вестибулярного аппарата, У них между раздражителем и первым чувствительным нейроном находится высокоспециализированная рецепторная клетка, т. е. первый нейрон возбуждается не непосредственно, а через рецепторную (не нервную) клетку.

По своим основным свойствам рецепторы делятся также на быстро- и медленноадаптирующиеся, низко- и высокопороговые, мономодальные и полимодальные и т. д.

Впрактическом отношении наиболее важное значение имеет психофизиологическая классификация рецепторов по характеру ощущений, возникающих при их раздражении. Согласно данной классификации у человека различают зрительные, слуховые, обонятельные, вкусовые, осязательные рецепторы, терморецепторы, рецепторы положения тела и его частей в пространстве (проприо- и вестибулорецепторы) и рецепторы боли.

Механизмы возбуждения рецепторов. При действии стимула на рецепторную клетку

происходят изменения пространственной конфигурации белковых рецепторных молекул, встроенных в белково-липидные комплексы ее мембраны. Это приводит к изменению проницаемости мембраны для определенных ионов (чаще всего натрия) и возникновению ионного тока, генерирующего так называемый рецепторный потенциал. В первичночувствующих рецепторах этот потенциал действует на наиболее чувствительные участки мембраны, способные генерировать потенциалы действия — нервные импульсы.

433

Во вторичночувствующих рецепторах рецепторный потенциал вызывает выделение квантов медиатора из пресинаптического окончания рецепторной клетки. Медиатор (например, ацетилхолин), воздействуя на постсинаптическую мембрану чувствительного нейрона, вызывает ее деполяризацию (постсинаптический потенциал — ПСП). Постсинаптический потенциал первого чувствительного нейрона называют генераторным потенциалом и он приводит к генерации импульсного ответа. В первичночувствующих рецепторах рецепторный и генераторный потенциалы, обладающие свойствами локального ответа, это одно и то же.

Большая часть рецепторов обладает так называемой фоновой импульсацией (спонтанно выделяет медиатор) в отсутствие всяких раздражений. Это позволяет передавать сведения о сигнале не только в виде учащения, но и в виде урежения потока импульсов. В то же время, наличие таких разрядов приводит к обнаружению сигналов на фоне «шумов». Под «шумами» понимают не связанные с внешним раздражением импульсы, возникающие в рецепторах и нейронах в результате спонтанного выделения квантов медиатора, а также множественных возбудительных взаимодействий между нейронами.

Эти «шумы» затрудняют обнаружение сигналов, особенно при низкой их интенсивности или при их малых изменениях. В связи с этим понятие порога реакции становится статистическим: обычно требуется несколько раз определить пороговый стимул, чтобы принять надежное решение о его наличии или отсутствии. Это верно как на уровне поведения отдельного нейрона или рецептора, так и на уровне реакции всего организма.

Ванализаторной системе процедура многократных оценок сигнала для принятия решения

оего наличии или отсутствии заменяется сравнением одновременных реакций на этот сигнал целого ряда элементов. Вопрос решается как бы голосованием: если число элементов, одновременно возбуждаемых данным стимулом, больше некоторой критической величины, считают, что сигнал имел место. Отсюда следует, что порог реакции анализаторной системы на стимул зависит не только от возбуждения отдельного элемента (будь то рецептор или нейрон), но и от распределения возбуждения в популяции элементов.

Чувствительность рецепторных элементов к так называемым адекватным раздражителям, к восприятию которых они эволюционно приспособлены (свет для фоторецепторов, звук для рецепторов улитки внутреннего уха и т. д.), предельно высока. Так, обонятельные рецепторы способны возбудиться при действии одиночных молекул пахучих веществ, фоторецепторы способны возбуждаться одиночным квантом света в видимой части спектра, а волосковые клетки спирального (кортиева) органа реагируют на смещения базиллярной мембраны порядка 1-10-1 1 М (0,1 А0), т. е. на энергию колебаний, равную 1*10-12Вт/см2(1 -10-9 эрг/(с-см2). Более высокая чувствительность в последнем случае также невозможна, так как ухо при этом слышало бы уже в виде постоянного шума тепловое (броуновское) движение молекул.

Ясно, что чувствительность анализатора в целом не может быть выше чувствительности наиболее возбудимых из его рецепторов. Однако в обнаружении сигналов помимо рецепторов участвуют чувствительные нейроны каждого нервного слоя, которые различаются между собой по возбудимости. Эти различия очень велики: так, зрительные нейроны в разных отделах анализатора различаются по световой чувствительности в 107 раз. Поэтому чувствительность зрительного анализатора в целом зависит и от того, что на все более высоких уровнях системы увеличивается пропорция высокочувствительных нейронов. Это способствует надежному обнаружению системой слабых световых сигналов.

II. Различение сигналов. До сих пор речь шла об абсолютной чувствительности анализаторов. Важной характеристикой того, как они анализируют сигналы, является их способность обнаруживать изменения интенсивности, временных показателей или пространственных признаков стимула. Эти операции анализаторных систем, относящиеся к различению сигналов, начинаются уже в рецепторах, но и следующие анализаторные элементы в нем участвуют. Необходимо обеспечить разную реакцию на минимальное различие между стимулами. Это минимальное различие и есть порог различения (разностный порог, если речь идет о сравнении интенсивностей).

434

В 1834 г. Э. Вебер сформулировал следующий закон: ощущаемый прирост раздражения (порог различения) должен превышать раздражение, действовавшее ранее, на определенную долю. Так, усиление ощущения давления на кожу руки возникало лишь

втом случае, когда накладывали дополнительный груз, составляющий определенную

часть груза, положенного ранее: если раньше лежала гирька массой 100 г, то добавить (чтобы человек ощутил эту добавку) надо было 3*10-2 (3 г), а если лежала гирька

в200 г, то едва ощутимая добавка составляла 6 г. Полученная зависимость выражается формулой: ∆I/I=const, где I — раздражение, ∆I — его ощущаемый прирост (порог различения), const — постоянная величина (константа).

Аналогичные соотношения были получены и для зрения, слуха и других органов чувств человека. Закон Вебера можно объяснить тем, что при повышении уровня интенсивности основного длительно действующего раздражителя увеличивается не только ответная реакция на него, но и «шумы системы», а также углубляется адаптационное торможение. Поэтому, чтобы вновь добиться надежного различения добавок к этому раздражителю, надо их увеличивать до тех пор, пока они не превысят колебания этих возросших шумов и не превзойдут уровень торможения.

Выведена формула, по-иному выражающая зависимость ощущения от силы раздражения: E=a*logI+b, где Е — величина ощущения, I — сила раздражения, а и b — константы, различные для разных сигналов. Согласно этой формуле, ощущение увеличивается пропорционально логарифму интенсивности раздражения. Данное обобщающее выражение, получившее название закона Вебера — Фехнера, подтверждено во множестве различных исследований.

Пространственное различение сигналов основано на различиях в пространственном распределении возбуждения в слое рецепторов и в нервных слоях. Так, если какие-то два раздражителя возбудили два соседних рецептора, то различение этих двух раздражений невозможно, а они будут восприняты как единое целое. Для пространственного различения двух стимулов необходимо, чтобы между возбуждаемыми ими рецепторами находился хотя бы один невозбужденный рецепторный элемент. Подобные эффекты возникают при восприятии слуховых раздражений.

Для временного различения двух раздражений необходимо, чтобы вызванные ими нервные процессы не сливались во времени и чтобы сигнал, вызванный последующим стимулом, не попадал в рефрактерный период от предыдущего раздражения.

В психофизиологии органов чувств принимают за пороговое такое значение стимула, вероятность восприятия которого равна 0,75 (правильный ответ о наличии стимула в 3/4 случаев его действия). При этом естественно, что более низкие значения интенсивности считаются подпороговыми, а более высокие — надпороговымй. Однако оказалось, что и в «подпороговом» диапазоне возможна четкая, дифференцированная реакция на сверхслабые (или сверхкороткие) раздражители. Так, если снизить интенсивность света настолько, что сам испытуемый уже не может сказать, видел ли он вспышку или нет, то по объективно регистрируемой кожно-гальванической реакции удается выявить четкий ответ организма на данный сигнал. Оказывается, что восприятие таких сверхслабых стимулов происходит на подпороговом уровне.

III. Передача и преобразование. После преобразования в рецепторах энергии физического или химического раздражителя в процесс нервного возбуждения начинается цепь процессов по преобразованию и передаче полученного сигнала. Цель их — донести до высших отделов мозга наиболее важную информацию о раздражителе и притом в форме, наиболее удобной для надежного и быстрого его анализа.

Преобразования сигналов могут быть условно разделены на пространственные и временные. Среди пространственных преобразований сигналов можно выделить изменение их масштаба в целом или искажение соотношения разных лространственных частей. Так, в зрительной и соматосенсорной системах на корковом уровне происходит значительное искажение геометрических пропорций представительства отдельных частей тела или частей поля зрения. В зрительной коре резко расширено представительство центральной ямки сетчатки при относительной редукции периферии поля зрения («циклопический глаз»).

435

Временные преобразования информации сводятся в основном к ее сжатию в отдельные импульсные посылки, разделенные паузами или интервалами. В целом для всех анализаторов типичным является переход от тонической импульсации нейронов к фазическим пачечным разрядам нейронов.

Ограничение избыточной информации и выделение существенных признаков сигналов. По

некоторым подсчетам, одна только зрительная информация, идущая от фоторецепторов, в обычных условиях могла бы за несколько минут насытить все информационные резервы мозга.

Наличие большого числа рецепторов, а следовательно, и сигналов, идущих от них, оправдано необходимостью иметь детальную информацию о раздражителях. Это приводит к избыточности сообщений, которая затрудняет использование их мозгом. Эволюция отобрала ряд универсальных и простых приемов ограничения этой избыточности. Это прежде всего сжатие афферентного канала, особенно выраженное в зрительной системе, наличие суживающейся сенсорной воронки, что резко ограничивает количество информации, идущей в высшие зрительные центры.

Другой прием ограничения избыточности информации — подавление или устранение поступления информации о менее существенных явлениях. Природа создала универсальный простой метод отбора: менее важно то, что не изменяется или изменяется медленно как во времени, так и в пространстве. Например, длительно действуют неизменные стимулы большой пространственной протяженности: неподвижное изображение или давление на кожную поверхность. В этих случаях непрерывно передавать в мозг детальную информацию о состоянии всех возбужденных рецепторов не имеет смысла. Правильнее сообщить ему только о начале, а затем о конце такого раздражения, причем выгодно передать эти сведения не от всех возбужденных стимулом рецепторов, а только от тех, которые лежат на краю возбужденной области. Таким образом, мозг получит резко уменьшенную (количественно редуцированную) информацию о состоянии лишь тех участков рецепторной поверхности, которые воспринимают резкие изменения раздражителя. Именно эта информация наиболее важна для формирования приспособительных поведенческих актов. Очевидно, моменты появления и исчезновения стимула или его изменения как бы очерчивают контур этого события во времени. Поэтому подавление сигналов о неменяющихся во времени или равномерных по пространству частях раздражителя часто называют операцией подчеркивания или выделения контуров.

IV. Кодирование поступающей информации. Кодированием называют процесс пре-

образования информации в условную форму - код, совершаемый по определенным правилам.

В анализаторных системах позвоночных животных сигналы кодируются двоичным кодом, т. е. наличием или отсутствием залпа импульсов в тот или иной момент времени, в том или ином нейроне.

Такой способ кодирования не единственно возможный и не наиболее выгодный. Его достоинство— помехоустойчивость в связи с крайней простотой: действительно, что может быть проще и надежнее, чем работать всего в двух крайних и стандартных состояниях — наличия или отсутствия импульса. Это важно при передаче импульсов на значительные расстояния (до десятков и сотен сантиметров) по проводникам (аксонам нервных клеток) с довольно плохими параметрами (внутреннее сопротивление, качество изоляции, емкостные свойства). В то же время в связи с ограниченным частотным диапазоном импульсации нервных клеток (частоты всего до нескольких сот имп/с) число градаций и скорость передачи сообщений существенно снижены. Это наглядный пример «эволюционного компромисса», при котором выигрыш в каких-либо одних свойствах системы сопровождается проигрышем в других свойствах и возможностях. Следует отметить, что в тех редких случаях, когда сигналы передаются между очень близко лежащими клетками, генерация импульсов не возникает или они редуцируются (примером может служить безымпульсная передача сигналов в сетчатке позвоночных между фоторсцепторами и биполярными нейронами, а также биполярными и ганглиозными клетками).

Информация о раздражениях и их параметрах передается у позвоночных животных в виде отдельных групп или «пачек» импульсов («залпов импульсов»). Как уже говорилось, все параметры отдельного импульса стандартны (одинакова его амплитуда, длительность, форма), а число импульсов в пачке, их частота, длительность пачек и интервалов между ними, а также временной «рисунок» пачки, т. е. распределение в ней отдельных импульсов, как правило, различны и зависят от характеристик стимула. Возможно кодирование поступающей информации изменением числа волокон, по которым она параллельно передается, а также местом возбуждения в нейронном слое.

436

ОСОБЕННОСТИ КОДИРОВАНИЯ В АНАЛИЗАТОРАХ

Уже на уровне рецепторов осуществляется первичное кодирование стимулов: переход их из присущей им формы физической или химической энергии в форму нервных импульсов. Преобразованные таким образом сообщения поступают на следующий уровень анализаторной системы, где подвергаются дальнейшим преобразованиям, приводящим к изменению кода. Однако ни на одном из уровней анализатора не происходит восстановление стимула в его первоначальной форме, т. е. декодирование. Этим физиологическое кодирование отличается от большинства технических систем связи, где сообщение, как правило, восстанавливается в первоначальном, декодированном виде.

Вторая принципиальная особенность нервного кодирования — множественность и перекрытие кодов. Это означает, что для одного и того же признака сигнала (например, его интенсивности) в анализаторе одновременно используется несколько различных вариантов нервных кодов: частота импульсации в отдельных нейронных каналах, число возбужденных элементов и их локализация («адрес») в нервном слое. Удельный вес каждого из этих кодов может изменяться на разных уровнях анализатора, но их параллельность сохраняется.

Еще одна особенность кодирования — это «зашумленность» большинства сенсорных кодов, т. е. добавление к импульсам, несущим информацию, фоновой импульсации. Это затрудняет анализ и восприятие информации.

Следует отметить еще две особенности нервного кодирования. Во-первых, скорости кодирования и перекодирования должны быть достаточно большими, чтобы избежать задержки реакций организма на принимаемый сигнал. Во-вторых, исследуемые нейрофизиологами нервные коды не наверняка являются кодами, используемыми мозгом. Методов, которые позволили бы точно установить, каким образом и какие именно нервные клетки получают и перекодируют то или иное сообщение, пока не существует. Сейчас трудно доказать, что именно тот принцип кодирования, который можно исследовать на данном уровне анализатора, используется нейронами следующего уровня. Поэтому можно говорить лишь о гипотетических нервных кодах.

Примеры отдельных видов кодирования. Код «начало — конец стимула» осуще-

ствляется в одиночном чувствительном элементе в основном на подкорковых уровнях анализатора и относится к временному кодированию. Его особенность состоит в том, что импульсация нейрона возникает только в момент включения, выключения или резкого изменения интенсивности раздражителя. Так, например, на всех уровнях зрительного анализатора описаны нейроны, отвечающие на включение света («оп-нейроны»), на его выключение («off-нейроны»), либо же на включение и на выключение (on-off-нейроны). Такие реакции выделяют наиболее информативные временные контуры событий. Меньшему числу периферических чувствительных клеток свойственно кодирование параметров раздражителя с помощью частоты импульсации.

Для мозга очень важен код, характеризующийся изменением распределения импульсов внутри пачки или их последовательности. Импульсы могут быть по-разному сгруппированы в начале, середине или конце одной пачки импульсов, что придает ей разный временной рисунок. Для передачи сведений о сигнале имеют значение и изменения длительности пачки импульсов, число импульсов в пачке, степень колебаний частоты разрядов в их длительной последовательности. Важным кодовым признаком является последовательность включения отдельных нейронных каналов, по которым поступает информация о том, что раздражитель передвигается по рецепторной поверхности.

К кодам высокого уровня, функционирующим у высших позвоночных животных, как правило, в корковом отделе анализатора, относится кодирование посредством последовательного включения параллельно работающих каналов, изменением их числа, а также так называемое позиционное преобразование. Последний вид кодирования наиболее важен и заключается в том, что определенный признак раздражителя вызывает возбуждение определенного нейрона или небольшой группы нейронов, расположенных в строго определенном месте того или иного нервного слоя. Например, возбуждение на корковом

437

уровне зрительной системы определенной небольшой группы нейронов означает, что в определенной части поля зрения появилась световая полоска определенного размера и ориентации.

На высших уровнях анализаторов происходит переход от преимущественно временного кодирования признаков раздражителя (свойственного периферическим отделам)

кпреимущественно пространственному (в основном позиционному) коду.

V. Детектирование сигналов — специальный вид избирательного анализа отдельных признаков раздражителя и их конкретного биологического значения. Осуществляют такой анализ специализированные нейроны-детекторы, которые благодаря свойствам

своих связей способны реагировать лишь на строго определенные параметры стимула.

Корковые зрительные детекторы реагируют лишь на одно из множества положений или наклонов светлой или темной полоски, расположенной в определенной части поля зрения. При другом положении той же полоски ответят другие нейроны. Совокупность нейронов, оценивающих разные стороны одного и того же признака (например, все возможные ориентации изображений), составляет систему детекции этого признака.

Общим в распределении детекторов является иерархический принцип, согласно которому на более низких уровнях локализуются детекторы более простых признаков, обеспечивающие простой анализ. В высших отделах анализатора, как правило, сконцентрированы детекторы более сложных признаков.

VI. Опознание образов — конечная и наиболее сложная операция анализатора. Она заключается в классификации образа, отнесении его к тому или иному классу объек тов, с которыми ранее встречался организм. Это происходит на основе всей предыдущей обработки афферентного сигнала, после расщепления его нейронами-детекторами на отдельные признаки и их раздельного параллельного анализа. Задача операции опозна ния может быть сведена к построению мозгом «модели раздражителя» и ее выделению из множества других подобных моделей. Опознание завершается принятием решения о том, с каким объектом или ситуацией встретился организм. Полагают; что для этого существуют специфические пространственно связанные наборы нейронов (нейронные ансамбли — высшие детекторы), возбуждение которых означает для мозга появление того или иного образа. Именно в результате такого опознания мы осознаем, какого чело века видим перед собой, чей голос слышим, какой запах чувствуем и т. д.

Опознание происходит независимо от изменчивости сигнала. Мы надежно опознаем, например, предметы при различной их освещенности, окраске, размере, ракурсе, ориентации и положении в поле зрения. Точно так же знакомый голос опознается при разной его громкости, наличии звукового фона, а смысл речи — и при значительных изменениях ее тембра и темпа. Отсюда следует, что на каких-то высших уровнях анализатора организуется независимое от этих изменений признаков отражение сигнала — сенсорный образ. Это совокупность сигналок, отображаемых в сходном пространственно-временном распределении процессов возбуждения и торможения на высшем уровне анализатора.

Взаимодействие нейронов анализаторов осуществляется с помощью двух основных механизмов — возбудительного и тормозного. Возбудительное взаимодействие представлено главным образом между элементами последовательных нервных слоев, в то время как тормозное — в основном между нейронами одного и того же слоя.

Возбудительное взаимодействие организуется следующими способами. Во-первых, аксон каждого нейрона, приходя в вышележащий слой, делится на большее или меньшее число веточек, вступающих в синаптические контакты не с одним, а с несколькими нейронами.

Во-вторых, «дендритное дерево», т. е. входы нейрона, имеют, как правило, синаптические контакты с аксонами не одной, а нескольких клеток предыдущего слоя. Из-за этого практически все нейроны анализатора имеют проекционные поля, т. е. совокупность нейронов на следующем и более высоких уровнях анализатора, с которыми они взаимодействуют.

438

Совокупность рецепторов, импульсы от которых поступают на данный нейрон, назы-

вают его рецептивным полем.

Следует иметь в виду, что рецептивные и проекционные поля существуют у всех нейронов системы одновременно. Более того, они частично перекрываются. Такое «сдвинутое боковое перекрытие» связей заключается в том, что часть рецепторов, входящих в рецептивное поле данного нейрона, входит и в рецептивное поле соседней с ним клетки, а часть нейронов, входящих в проекционное поле какого-либо рецептора, может входить и в проекционное поле соседнего рецептора (рис. 209).

Такое сложное взаимодействие клеток приводит к образованию в анализаторе так называемой нервной сети. Благодаря ей происходит повышение чувствительности анализаторов к слабым сигналам. Кроме того, избыточность связей в сетевых структурах обеспечивает анализаторам высокую приспособляемость к меняющимся условиям среды.

Тормозное взаимодействие в анализаторах осуществляется с помощью тормозных вставочных нейронов (интернейронов). Чаще всего торможение заключается в том, что каждый возбужденный нейрон активирует тормозной интернейрон, который в свою очередь подавляет, затормаживает импульсацию как самого возбудившего его элемента, так и его соседей по слою. Сила этого торможения тем больше, чем сильнее возбужден элемент и чем ближе к нему соседняя клетка. За счет такого универсального механизма торможения в анализаторных системах осуществляется значительная часть операций по снижению избыточности информации, поступающей из рецепторов, а также по выделению сведений о пространственных и временных признаках раздражителей.

Торможение играет ведущую роль и во временной обработке сигналов, так как включается, как правило, с некоторой задержкой после возбуждения и подавляет преимущественно поздние по отношению к началу раздражения ответы нейронов. В результате этого они хорошо отвечают только на изменения раздражителя во времени, в частности на его включение и выключение.

АДАПТАЦИЯ АНАЛИЗАТОРОВ

Анализатор работает как единая система, все звенья которой взаимосвязаны и взаимно регулируют друг друга. Состояние практически всех уровней анализатора контролируется (прямо или опосредованно) ретикулярной формацией, включающей их в единую систему, интегрированную с другими отделами мозга и организмом в целом. В этой интегративной деятельности особую роль приобретает адаптация анализаторов — их общее свойство, заключающееся в приспособлении всех их звеньев к постоянной интенсивности длительно действующего раздражителя. Адаптация проявляется, во-первых,

439

в снижении абсолютной чувствительности анализатора, и во-вторых, повышении его дифференциальной чувствительности к стимулам, близким по силе к адаптирующему.

Субъективно адаптация проявляется в привыкании к действию постоянного раздражителя: войдя в прокуренное помещение, человек через несколько минут перестает ощущать столь резкий вначале запах табака. Точно так же мы не замечаем непрерывного давления на кожу привычной одежды или яркого света, заливающего помещение (хотя в момент, когда мы вошли в него из темной комнаты, он нас ослепил). Повышение дифференциальной чувствительности анализатора во время адаптации заключается в том, что па фоне длительно действующего раздражителя различается больше градаций сравнительно слабых его изменений.

Адаптационные процессы начинаются на уровне рецепторов, охватывая все нейронные уровни анализатора. Адаптация заметно не изменяется только в вестибуло-

ипроприоцепторах. По скорости данного процесса все рецепторы делятся на быстро-

имедленноадаптирующиеся. Первые после развития адаптационного процесса практи-

чески вообще не сообщают следующему за ними нейрону о длящемся раздражении, у вторых эта информация передается, хотя и в значительно уменьшенном виде. Когда действие постоянного раздражителя прекращается, чувствительность анализатора повышается. Такова причина повышения световой чувствительности нашего глаза в темноте.

Эфферентная регуляция физиологических свойств анализатора проявляется изменением (настройкой) рецепторов и свойств нервных элементов анализатора для оптимального восприятия внешних сигналов.

Давно известен комплекс реакций (например, изменение положения тела или головы, глаз и ушных раковин по отношению к источнику звукового раздражения), оптимизирующих условия восприятия сигнала.

В настоящее время получено много данных о преобразовании афферентного потока, идущего от рецепторов к высшим чувствительным центрам, под воздействием эфферентного контроля со стороны ЦНС. Этот контроль затрагивает элементы всех без исключения уровней анализатора, доходя до реценторных аппаратов. Пути реализации эфферентных воздействий различны: изменение кровоснабжения рецепторов, влияние на мышечный тонус вспомогательных структур рецепторных аппаратов, на состояние самих рецепторов и нервных элементов следующих уровней. Эфферентные влияния в анализаторах чаще всего имеют тормозной характер, т. е. приводят к уменьшению их чувствительности и ограничивают поток афферентных сигналов.

Общее число афферентных нервных волокон, приходящих к рецепторам или к элементам какого-либо нервного слоя анализатора, как правило, в десятки раз меньше числа афферентных нейронов, расположенных на том же уровне. Это определяет важную функциональную особенность эфферентного контроля, который имеет не тонкий и локальный, а достаточно широкий и диффузный характер. Речь идет об общем снижении чувствительности значительной части рецепторной поверхности.

В з а и м о д е й с т в и е а н а л и з а т о р о в осуществляется на нескольких уровнях: спииальном, ретикулярном и таламокортикальном. Особенно широка интеграция сигналов в нейронах ретикулярной формации. В коре мозга происходит интеграция сигналов высшего порядка. В результате множественных связей с нижележащими уровнями анализаторов и неспецифических систем многие корковые нейроны приобретают способность отвечать на сложные комбинации сигналов разной природы. В особенности это свойственно клеткам ассоциативных областей и двигательной зоны коры больших полушарий. В этой зоне пирамидные клетки служат общим конечным путем зрительных, слуховых, тактильных и других сигналов. Афферентные связи нейронов этих областей обладают высокой пластичностью, что обеспечивает их условнорефлекторные перестройки и тем самым формирование новых или видоизменение выработанных ранее навыков. Особенно важны для межсенсорного синтеза лобные доли коры больших полушарий: при их поражении у людей затрудняется формирование сложных комплексных образов.

440