Как мозгу удается отделять важные ощущения от неважных?

Новые проведенные исследования показали, что в стволе головного мозга имеется небольшая анатомическая структура, на которую долгое время не обращали внимание. Однако именно она выполняет важную функцию – регулирует импульсы, которые передаются по нервным волокнам.

Эйман Эзим (Eiman Azim), Слиман Бенсмайя (Sliman Bensmaia), Ли Э. Миллер (Lee E. Miller), Крис Верстиг (Chris Versteeg)

Представьте, что вы играете на гитаре. Вы сидите, держа гитару на коленях, одной рукой пробегаете пальцами по струнам, другой – играете аккорды, прижимая струны к гитарному грифу. Зрение отвечает за считывание нот, а слух – за извлекаемые звуки. Кроме того, есть и еще два других вида ощущений, которые помогают вам играть. Одно из них – осязание, отвечающее за взаимодействие человека и гитары; другое – так называемая проприоцепция, с помощью которой вы ощущаете во время игры на гитаре пространственное положение рук и движение кистей. Эти две способности объединены в единую систему, которая называется соматосенсорной – здесь речь идет о способности ощущать свое тело.

На коже и в мышцах человека расположены миллионы рецепторов, которые обуславливают соматическое ощущение. В человеческий мозг поступают гигантские объемы информации от рецепторов всех органов чувств, но, несмотря на это, мозг не перегружается. В результате, упомянутый нами гитарист не отвлекается на какие-то посторонние звуки, возникающие, скажем, в результате движения ботинок или подергивания гитарного ремня, – гитарист целиком и полностью концентрируется только на той поступающей от рецепторов информации, которая является для него первостепенной. Иными словами, мозг искусно усиливает одни сигналы и отсеивает другие – и всё для того, чтобы человек сосредоточился лишь на главном, игнорируя второстепенное.

Каким же образом человеческому мозгу удается столь успешно концентрироваться? В ходе недавних исследований, проведенных в Северо-Западном и Чикагском университетах, а также в Институте биологических исследований им. Дж. Солка в Ла-Хойя, штат Калифорния, нам удалось по-новому взглянуть на этот вопрос. В ходе нескольких исследований мы обнаружили, что решающую роль при отборе мозгом сенсорных сигналов играет небольшая анатомическая структура, в значительной степени обделенная вниманием ученых, – она расположена в сáмой нижней части ствола головного мозга. Эта область называется клиновидным ядром, или сокращенно – "CN". Наши исследования клиновидного ядра не только заставляют по-новому взглянуть на те механизмы, посредством которых осуществляется обработка нервных возбуждений, поступающих от рецепторов, но также вполне могут послужить тем фундаментом, на основе которого специалисты в дальнейшем смогут осуществлять медицинское вмешательство с целью восстановления чувствительности у пациентов, которые перенесли травмы или некоторые иные заболевания.

Что же нового в нашем подходе? Чтобы это понять, давайте разберемся в том, как работает соматосенсорная система. Итак, когда человек двигается или прикасается к предметам, то в этом случае возникает реакция специфических клеток, расположенных на коже и в мышцах. В результате возникают электрохимические сигналы, которые по нервным волокнам идут к спинному и головному мозгу. В свою очередь, мозг на основе этой входящей информации начинает отслеживать положение тела и его движения, а вместе с этим – определять местоположение, согласованность действий и силу, с которой человек взаимодействует с окружающими объектами. В ходе экспериментов было установлено, что осознанная способность человека ощущать свое собственное тело и его взаимодействия с внешними объектами зависит от нервных возбуждений, которые поступают в кору головного мозга (напомним, что эта кора является внешней оболочкой мозга). Ученые уже догадались, что эта область человеческого мозга – одна из ключевых систем, участвующих в избирательном усилении или отсеивании сигналов, которые поступают от рецепторов. Однако, ученые полагали, что клиновидное ядро играет роль всего лишь пассивной ретрансляционной станции, передающей сигналы от тела к коре головного мозга.

Однако нас этот ответ не устроил. И действительно, зачем вообще нужно клиновидное ядро, если оно не производит никакой фильтрации сигналов? Чтобы выяснить этот вопрос, мы решили изучить процесс работы клиновидных нейронов. Как известно, клиновидное тело достаточно малó и добраться до него очень непросто. Оно расположено в той части тела, где голова соединяется с шеей; это соединение крайне подвижное, а это означает, что к нему сложно подобраться, т.к. здесь постоянно происходит движение. К тому же, клиновидное ядро расположено в стволе головного мозга, оно окружено жизненно важными областями мозга, повреждение которых может привести к летальному исходу, – в этом и состоит трудность.

К счастью, современный инструментарий, применяемый в нейробиологии, позволяет нам вести наблюдение за клиновидным ядром у бодрствующих обезьян, никак при этом не повреждая смежные области их мозга. Мы имплантировали крошечные электроды для того, чтобы наблюдать за отдельными нейронами клиновидного ядра. Нами впервые была изучена реакция отдельных клеток этой области мозга в те самые моменты, когда обезьяна передвигалась и прикасалась к различным предметам. Данный метод позволил нам получить ответы на некоторые вопросы, касающиеся функций клиновидного ядра. Во-первых, мы изучали реакцию этих нейронов на сигналы, появлявшиеся в те самые моменты, когда происходило касание; с этой целью мы подвергали кожу обезьян воздействию многих видов раздражителей, включая вибрации и рельефно-точечные поверхности, напоминающие шрифт Брайля. Затем, мы сравнили реакцию, которая наблюдалась в клиновидном ядре, с активностью нервных волокон, по которым сигналы поступали в данную структуру мозга. Если бы данная область мозга просто ретранслировала информацию, поступавшую от рецепторов кожи, то нейронная активность в клиновидном ядре явилась бы, по сути, отзвуком той активности, которая наблюдалась в нервных волокнах. Но вместо этого нами было обнаружено следующее: нейроны клиновидного ядра не просто передают входящие сигналы, а преобразуют их. На самом деле нейроны клиновидного ядра демонстрировали признаки активности, которые скорее напоминали активность нейронов коры головного мозга, чем поведение простых нервных волокон.

Однако связь между клиновидным ядром и корой головного мозга нельзя себе представлять, образно говоря, как улицу с односторонним движением. Помимо афферентных нервов, идущих к коре головного мозга, существуют и обратные пути от сенсорных и моторных областей коры головного мозга к клиновидному ядру. Мы задались следующим вопросом: способствует ли клиновидное ядро, пусть хотя бы частично, процессу фильтрации сигналов, осуществляемой в ходе выполнения преднамеренных, произвольных движений животного? С этой целью мы проводили наблюдения за активностью клиновидного ядра в те моменты, когда обезьяны выполняли задуманное действие; затем мы сравнивали полученные сигналы с теми сигналами клиновидного ядра, которые фиксировались, когда то же самое действие обезьяне помогал делать робот (т.е. когда робот помогал обезьяне перемещать ее лапу). В итоге, мы обнаружили, что активность нейронов клиновидного ядра действительно менялась в зависимости характера движений животного (произвольных или непроизвольных). К примеру, нам известно, что сигналы, поступающие от мышц, расположенных на лапах животного, помогают ему понять, выполняется ли движение в соответствии с задуманной целью. Основываясь на этом предположении, мы обнаружили, что в клиновидном ядре происходило усиление некоторых сигналов, поступающих от мышц руки, как раз в тот момент, когда обезьяна двигала лапой по собственной инициативе (в сравнении с тем случаем, когда двигать лапой ей помогал робот).

В ходе проведенных нами исследований было установлено, что обработка сигналов, исходящих от организма, начинается уже на той стадии, когда сигналы достигают клиновидного ядра. Однако возникает вопрос: какие именно клетки мозга и проводящие пути обеспечивают выборочное усиление значимых сигналов в клиновидном ядре и подавляют незначимые? В третьем исследовании, проведенном нами, для изучения нервной системы мышей мы использовали генетические и вирусные методы. С помощью этих инструментов мы могли работать с определенными видами клеток, включать их или выключать, воздействовать на них лазерным лучом. Мы объединили эти методы с поведенческими задачами: обучая мышей за вознаграждение дергать за веревочку или же реагировать на различные ткани. Мы проверили, каким же образом активация или инактивация определенных групп нейронов влияет на способность мыши выполнять задачи сложного уровня. Данный подход позволил нам сначала изучить функции клеток внутри клиновидного ядра, выявив особый набор окружающих его нейронов, способных подавлять или же, наоборот, усиливать прохождение сигналов, возникающих в рецепторах (т.е. в тот момент, когда животное к чему-то прикасается), а затем поступающих в мозг. После этого мы применили аналогичный метод для изучения способа, с помощью которого другие участки, отвечающие за высшую деятельность мозга, влияют на активность клиновидного ядра. Мы обнаружили два разных пути, которые ведут от коры головного мозга до клиновидного ядра и отвечают за регулирование объемов информации, пропускаемых этим клиновидным ядром. Другими словами, с одной стороны, клиновидное ядро получает сигналы от тела, но, с другой стороны, из коры головного мозга к нему тоже поступают указания, помогающие определить актуальность и важность для человека тех или иных сигналов в данный конкретный момент.

Ясно, что клиновидное ядро — намного более интересная область мозга, чем принято считать. Проведенная нами работа помогает прояснить функцию клиновидного ядра, которая заключается в следующем: выделять одни сигналы и подавлять другие, а затем передавать их в те области мозга, которые отвечают за восприятие, регуляцию движения и высшие когнитивные функции. Эта важная роль, которая отводится клиновидному ядру, помогает нам понять, почему оно присутствует в организме самых разных млекопитающих, включая мышей и приматов.

И хотя наша работа далека от завершения, полученные результаты уже имеют важное значение для медицинской реабилитации пациентов. Полученные результаты приводят нас к следующему выводу: помимо зафиксированных нами тактильных и мышечных сигналов, клиновидное ядро получает гораздо большее количество "латентных" сигналов, которые могут играть важную роль в ходе восстановления пациента после неврологических травм. Миллионы людей во всем мире страдают от тех или иных проявлений дисфункции конечностей, например от паралича или потери чувствительности. Если нам удастся понять механизмы, благодаря которым сенсорные и двигательные сигналы обуславливают движение человека, то в конечном итоге мы сможем более качественно диагностировать и лечить двигательную дисфункцию. Вполне возможно, придут времена, когда с помощью имплантированных электродов мы сможем активировать клиновидное ядро у пациентов, потерявших чувствительность конечностей, и, тем самым, помочь им заново ощутить свое тело.