Николай Курчанов - Поведение: эволюционный подход
Среди современных млекопитающих выделяют несколько вариантов строения переднего мозга, который часто характеризуется бороздами и извилинами. Так, китообразные (отр. Cetacea) имеют своеобразную схему распределения сенсорных зон в неокортексе, высокий индекс цефализации (отношение массы мозга к массе тела), но микроструктура коры демонстрирует примитивный уровень организации. При этом дельфины (рис. 9.2), в свою очередь, имеют весьма специфичную структуру мозга и сложную систему ассоциативных связей внутри коры, обусловливающую разнообразные формы поведения.
Поскольку мозг – это весьма энергоемкая структура, существуют энергетические ограничения его эволюции. Для создания «интеллектуального» мозга необходим организм с достаточно большой массой тела: тогда относительные расходы на содержание мозга уменьшатся (Савельев С. В., 2005). Но у крупных организмов обычно большая продолжительность жизни и малое число потомков, поэтому их эволюция должна протекать весьма медленно. Исключительно высокая скорость эволюции мозга млекопитающих, и особенно человека, остается одной из загадок эволюционной физиологии. Вероятно, причиной этому послужили изменения в регуляторных генах. С ними связано резкое увеличение размеров неокортекса у приматов и еще более резкое – у человека.
Эволюционная генетика наглядно показала, что усложнение живых систем, в первую очередь, определяется совершенствованием процессов регуляции экспрессии генов, а не их количеством. Более того, в эволюции человека был использован вариант в противовес общей эволюционной тенденции. Недавние сенсационные находки в Индонезии нового вида карликовых людей, живших 20–90 тыс. лет назад, демонстрируют путь миниатюризации мозга и усложнения его организации. Этот вид, который получил название Homo floresiensis, ведет независимое происхождение от архантропов. Мы наблюдаем резкое уменьшение размеров тела и мозга с одновременным возрастанием интеллекта. Рост Homo floresiensis не превышал 1 м, а объем мозга был как у шимпанзе – 380 см3, но это не мешало им создавать орудия, даже более прогрессивные, чем у соседних Homo sapiens (Мосевицкий М. И., 2008).
Однако самый совершенный мозг не способен самостоятельно воспринимать сигналы внешнего мира (Хамори Й., 1985). Эту роль выполняет особый отдел – сенсорные системы.
9.2. Сенсорные системы
Сенсорные системы возникают на очень ранних стадиях эволюции животных для непосредственного восприятия сигналов внешнего мира. В ходе этой эволюции постепенно совершенствуется воспринимающая структура, формируются аналитические центры, из которых затем выделяется ассоциативная система.
У истоков сенсорной физиологии можно поставить выдающегося немецкого физиолога И. Мюллера (1801–1858), выдвинувшего концепцию специфической нервной энергии различных органов чувств.
И. П. Павлов ввел понятие анализатора как структуры для восприятия и анализа сигналов. Он выделял в нем три отдела: сенсорный рецептор, проводящие пути и мозговой центр коры. Однако оказалось, что анализ сенсорной информации не является прерогативой коры, а проходит на всех этапах, поэтому практически невозможно выделить отдельно проводящие пути. Почти не употребляется в настоящее время и сам термин «анализатор».
Сенсорные рецепторы, представляющие собой специализированные клетки, приспособленные к восприятию определенного раздражителя и преобразованию его энергии в нервное возбуждение, интенсивно изучаются в сенсорной физиологии. Они сформировались на основе фундаментальной способности всех клеток реагировать на механические, химические и электромагнитные воздействия, что определяет неспецифическую чувствительность любой клетки. В ходе эволюции происходит прогрессирующая специализация чувствительных клеток, что неизбежно приводит к их объединению с формированием сложных вспомогательных структур и образованием органов чувств.
Существует множество классификаций сенсорных рецепторов. Понимая условность любого деления, можно выделить среди них три больших класса на основе настройки на конкретный стимул.
Механорецепторы – восприятие механических стимулов.
Хеморецепторы – восприятие химических стимулов.
Фоторецепторы – восприятие электромагнитных стимулов.
К этим главным группам относятся рецепторы наиболее известных нам органов чувств: слуха, осязания, равновесия (механорецепция), вкуса, обоняния (хеморецепция), зрения (фоторецепция).
Как отдельные группы часто выделяют терморецепторы, воспринимающие термические стимулы, осморецепторы, воспринимающие изменение осмотического давления, ноцицепторы – рецепторы боли, имеющие низкий порог по отношению к повреждению. Возможно, какие-то из этих функций выполняют «по совместительству» другие рецепторы. Некоторые организмы способны воспринимать электрические и магнитные поля, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, поляризационный свет. В ходе эволюции у них образовались свои разнообразные рецепторные органы.
Традиционно рецепторы также делят на первичночувствующие (видоизмененные нейроны) и вторичночувствующие (видоизмененный эпителий). К последним у позвоночных относятся рецепторные клетки слуховой, вестибулярной, вкусовой систем, электрорецепции. Интересно, что рецепторы одинаковой модальности могут иметь различное строение и происхождение.
Рецепторы большинства органов чувств воспринимают сигналы из внешней среды, поэтому их называют экстерорецепторами. Рецепторы, которые передают сигналы внутренних органов, называются интерорецепторами. Они включают в себя те же модальные группы, за исключением фоторецепторов. Понятно, что такое деление весьма условно – куда, например, отнести хеморецепторы языка или рецепторы вестибулярного аппарата?
Механизм действия рецепторов кратко был описан ранее. Обычно сенсорные рецепторы способны генерировать только рецепторный потенциал. Рецепторный потенциал вызывает выделение медиатора в синапсе, связывающем рецептор и нейрон, в котором и происходит генерация нервного импульса. Однако некоторые первичночувствующие рецепторные клетки (например, обонятельные) сами способны преобразовывать рецепторный потенциал в потенциал действия.
Дифференциальная чувствительность рецепторов выражается в способности замечать различия действующих раздражителей. Она измеряется порогом реакции. Порог реакции – это минимальная интенсивность раздражителя, вызывающая реакцию в рецепторах. Чем выше чувствительность, тем ниже порог реакции. В физиологии разработаны строгие формулы ее расчета (законы Вебера, Фехнера, Стивенса). Обычно чувствительность рецепторов чрезвычайно высока. Так, обонятельные рецепторы способны распознать одну молекулу вещества, а зрительные рецепторы – один квант света. Высокая чувствительность дает возможность дистанционного восприятия, что является важной адаптацией.
Понятие порога реакции можно определить через величину стимула, вероятность восприятия которого равняется 50–75 %. Более низкие значения характеризуются как подпороговые. В подпороговом диапазоне реакция на сверхслабые раздражители есть, но она не осознается. Так, даже если при уменьшении интенсивности света человек уже не может сказать, видел он вспышку или нет, можно зарегистрировать кожно-гальваническую реакцию (КГР) на сигнал. Таким образом, порог реакции – понятие конвенциональное (зависящее от соглашения).
Рассматривая связь рецепторов с мозговыми центрами, необходимо учитывать, что каждая сенсорная система представлена в коре полушарий не одной проекционной зоной. Наиболее полно она представлена в первичной зоне, поражение которой сопровождается самыми грубыми нарушениями функции. Вторичные зоны представляют проекции первичных зон и участвуют в интегративной деятельности мозга, которую мы рассмотрим ниже. Нарушения функционирования вторичных зон не имеют столь глобальных последствий для восприятия сенсорной информации.
Среди сенсорных систем высших позвоночных обычно выделяют зрительную, слуховую, вестибулярную, обонятельную, вкусовую и соматосенсорную системы. Четко анатомически идентифицировать системы терморецепторов, осморецепторов и ноцицепторов затруднительно.
Все классификации сенсорных систем содержат свою долю условности. Поскольку они строятся по функциональному признаку, то разные сенсорные системы могут обладать очень похожими рецепторами (например, слуховая и вестибулярная). Более того, выделяют две самостоятельные обонятельные системы (основная и вомероназальная) независимого происхождения.
Вначале кратко рассмотрим работу зрительной сенсорной системы, имеющей наибольшее значение для человека. Ее периферический отдел представлен особыми сенсорными клетками – фоторецепторами сетчатки, входящей в структуру глаза. Глаз – это один из наиболее сложных органов чувств, но все его структуры предназначены обслуживать сетчатку. Сетчатку рассматривают как часть мозга, выдвинутую на периферию, как «аванпост головного мозга» (Николс Дж. [и др.], 2008).
