А.В. Зевеке

Нижегородская государственная медицинская академия;
ЦНИЛ, Нижний Новгород

Механизм формирования кодов при осязании

В самом начале изучения чувствительности кожных покровов исследователи пользовались физико-психологической терминологией: действующий физический фактор, ощущение. Такая типология сохраняется в некоторых учебниках при рассмотрении гистологии рецепторов кожи. Некоторым поводом для этого послужила так называемая морфофункциональная теория. На основании этой теории утвердилась психофизио­логическая терминология, которая перешла и в описания при электрофизиологических исследованиях. Все рецепторы кожи были поделены на четыре модальности ощущения и даже появился жаргон — механочувствительное волокно, холодочувствительное волокно и т.д. — против чего на одном из симпозиумов в 1959 г. выступил Эдриан, предложив называть по модальностям ощущений рецепторы, а не волокна [1].

Классификация рецепторов по модальностям ощущений (рис. 1) приведена в статье Boivie и Perl [2].

Рис. 1. Диапазон скоростей проведения по нервным волокнам кожного нерва от различных типов рецепторов и распределение их по модальности ощущения (по Boivie, Perl, 1975)

Обращают на себя внимание рецепторы, иннервированные волокнами типа С. В этой таблице рецепторы распределены по специфичности ощущений.

Возникновение так называемой теории специфичности, а вместе с ней и физико-психологической терминологии было закономерно потому, что не был известен механизм раздражения самих рецепторов. Физиологи не знали, что происходит в коже между действием раздражителя и возникновением ответа рецептора.

Первыми авторами, которые поставили под сомнение специфичность рецепторов, были Douglas и Ritchie [3]. Они установили, что все рецепторы, иннервированные немиелинизированными волокнами, являются механочувствительными и большая их часть раздражается при понижении температуры. Однако и в их исследованиях механизм раздражения этих рецепторов при механических и температурных воздействиях выявлен не был.

В ходе проверки результатов работ Дугласа и Ритчи нами было замечено, что при охлаждении кожа становится менее вязкой, менее податливой к механической деформации (рис. 2).

Рис. 2. Сопротивление кожи (сверху вниз) растяжению на 1 мм со скоростью 2,5 мм/с в условиях различных температур. На графиках показаны отметка растяжения и отметка времени 0,2 с

На рисунке отчетливо видно, что понижение температуры кожи увеличивает сопротивление ее к растяжению [4].

Причина этого явления была вскрыта в экспериментах с сокращением и расслаблением кожи в ответ на ее охлаждение и нагревание. Так, при охлаждении кожа предплечья добровольца-испытуемого сократилась, а при нагревании — расслабилась (рис. 3).

Рис. 3. Сила сокращения и расслабления кожи человека в ответ на изменение ее температуры: а — нагревание кожи с помощью воды:1 — расслабление и сокращение кожи; 2 — изменения температуры кожи; 3 — изменения температуры воды, протекающей через ванночку; б — нагревание кожи лучистым теплом: 1 — изменение температуры кожи; 2 — расслабление кожи. Вертикальные линии — калибровка силы сокращения и расслабления кожи — 2,5 г, горизонтальные линии — время 40 с. На предплечье прикреплена стальная пластина с наклеенным на нее тензодатчиком, который соединен с тензоусилителем ТА-5 (F)

Объяснение такой реакции кожи могло быть только одно — сокращение кожи происходит за счет сокращения гладкой мускулатуры, а именно, за счет сокращения пилоэректоров и вазоконстрикторов [5]. Для проверки этого были поставлены специальные эксперименты, в которых измерялось сокращение кожи при охлаждении и при раздражении симпатических эфферентов, иннервирующих как вазоконстрикторы, так и пилоэректоры. В случае сокращения гладкой мускулатуры в ответ на охлаждение раздражение эфферентов в этот момент не должно влиять на сокращение кожи. И наоборот, сокращение кожи при раздражении эфферентов должно блокировать сокращение кожи при ее охлаждении. Однако эти эксперименты показали, что гладкая мускулатура кожи при ее охлаждении не сокращается (рис. 4).

Рис. 4. Сила сокращения кожи в ответ на раздражение кожного нерва и охлаждение кожи: 1 — сокращение кожи при раздражении нерва; 2 — сокращение кожи при изменении температуры; 3 — сокращение кожи при охлаждении и последующем раздражении нерва; 4 — сокращение кожи при раздражении нерва и последующем изменении температуры. Сверху вниз — изменение температуры, сила сокращения кожи, отметка раздражения нерва напряжением 15 В с частотой 10 импульсов в секунду, длительность импульса 0,6 мс. Внизу справа — схема эксперимента

Сокращение кожи при сокращении пилоэректоров и вазоконстрикторов действительно имеет место, но только в ответ на раздражение эфферентов симпатической нервной системы. При охлаждении кожа сокращается за счет других сократительных элементов. Этим элементом кожи оказался ее коллаген [6]. По количеству коллагена, если сравнивать с другими тканями, кожа уступает первенство только ахиллову сухожилию. Таким образом, становится ясно, почему при охлаждении кожи активность в немиелинизированных волокнах сравнима с их активностью при механических воздействиях на рецепторы. Как при холодовом, так и при механическом воздействии раздражаются одни и те же механорецепторы. Это доказывает, что специфических холодовых рецепторов не существует [7].

Но если специфических холодовых рецепторов не существует, то что собой представляют так называемые болевые рецепторы? В 1961 г. была опубликована работа, доказывающая, что некоторые концентрации химических веществ раздражают непосредственно немиелинизированные нервные волокна, вызывая ноцицептивные реакции животных [8]. На основании этой работы было предположено, что при сильных раздражениях кожи, когда происходит деструкция тканей и наблюдается ноцицептивная реакция животного — прессорная реакция кровяного давления, увеличение частоты и глубины дыхания и расширение зрачка, — высокоактивные вещества из разрушенных клеток могут выходить в межклеточное пространство и раздражать непосредственно немиелинизированные волокна. Это предположение подтвердилось путем экспериментов как с различными концентрациями химических раздражителей [9], так и с сильными механическими раздражениями кожи с помощью игл [10]. Таким образом, было доказано, что специфических «болевых» рецепторов в коже нет. Рецептирующим звеном при сильном механическом (деструктивном) раздражении кожи является немиелинизированное волокно, в дистальном конце которого находится механорецептор.

А что происходит с рецепторным полем при действии теплового раздражителя и как на него отвечают механорецепторы? На этот вопрос не могли ответить физиологи потому, что искали появление афферентной активности на тепловой раздражитель. Отсутствие ответной реакции на тепло ставило исследователей в тупик. Поэтому на рис. 1 в соответствующем разделе стоит вопрос. А О.П. Минут-Сорохтина назвала тепловые рецепторы «загадкой» [5].

Возникает вполне законный вопрос — каким образом нервная система «узнает» действующий на кожу раздражитель: холодовой, тактильный, болевой, тепловой? Чтобы ответить на него, необходимо определить характеристики афферентного потока, возникающие при различных раздражениях рецепторов кожи. Для этого нами был модифицирован метод встречных импульсов Дугласа и Ритчи [11]. Этот метод, который впоследствии был назван методом встречных потоков, позволил определить относительное количество активных волокон всех групп, миелинизированных и немиелинизированных, максимальные частоты в них и распределение активных волокон по частоте проведения афферентной активности [12]. Эти характеристики были получены путем экспериментов на кошках при раздражении волосяного покрова с помощью воздушного потока, при тактильном раздражении кожи, при охлаждении кожи и при ноцицептивном раздражении кожи иглами [13]. Однако этот метод не давал временную характеристику афферентного потока. Поэтому нами был применен еще и кросс-корреляционный метод [10]. Сочетание двух методов анализа афферентной активности позволило определить пространственно-временные коды, поступающие в ЦНС от рецепторного поля при тактильном, холодовом, болевом и тепловом раздражениях.

В графическом виде эти коды представлены на рис. 5,

Рис. 5. Структура афферентных потоков в волокнах Аb , Аd и С при действии на кожу кошки различными раздражителями. По оси Z — активные волокна (%), Х — время (с), Y — частота афферентных импульсов. Стрелки — момент действия раздражителя: 1 — прикосновение булавками (5 булавок/см2, 0,005 Н/булавку); 2 — холодом (на 10°, 1°С/с); 3 — воздушным потоком (42 Па/см2); 4 — иглами (5 игл/см2, 0,05 Н/иглу); 5 — теплом (на 6°, 1°С/с)

из которого отчетливо видно, что каждый внешний раздражитель кожи вызывает появление в афферентных волокнах свой характерный поток, отличающийся по частоте, по количеству активных волокон определенного типа и по продолжительности активности. При этом физиологический механизм возникновения кодов при тактильных, холодовых и болевых раздражениях вполне понятен. Исключением оказался код тепла. Он резко отличается от всех кодов уменьшением фоновой активности механорецепторов, иннервированных миелинизированными волокнами.

Уменьшение фоновой активности на тепло отмечалось многими исследователями. Но теория специфичности не позволяла принять этот факт за код тепла. Только с помощью интегративных методов регистрации пространственно-временных характеристик афферентных потоков стало возможным идентифицировать его как код.

Механизм уменьшения фоновой активности на тепло лежит, по нашему мнению, в свойстве мембраны механорецептора. Предполагается, что при увеличении температуры увеличивается выход ионов натрия из мембраны рецептора, что приводит к ее частичной гиперполяризации и, как следствие, урежению или полному прекращению фоновой активности [14].

Приведенные экспериментальные данные позволяют проследить все процессы, которые происходят в коже при действии на нее различными физическими раздражителями и понять причину возникновения различных кодов. Кроме того, становится очевидным, что в коже имеется только один тип рецепторов, а именно механорецепторы. Поэтому о специфичности рецепторов кожи теперь говорить нельзя. Ее нет. Природа пошла по другому пути — создала один тип рецепторов — механорецепторы с разными свойствами адаптации и порогами чувствительности, расположив их в термочувствительных белках и предоставив немиелинизированные афференты для сверхсильных (болевых) раздражений. Природа «сделала» все это просто, экономно, компактно. Специфичным оказался код, который поступает в ЦНС, рисунок, паттерн афферентного потока, формируемый механорецепторами и их нервными волокнами.

Сторонники теории специфичности рецепторов вынуждены были говорить о меченой линии, т.е. о нервном волокне, которое передает информацию только одной модальности. Если бы это было так, то в ЦНС, начиная со спинного мозга, должны были бы быть четыре специфических центра. Однако известно, что таких центров нет, что на втором нейроне заднего рога спинного мозга обнаружено огромное количество синаптических контактов от волокон механорецепторов сухожилий, мышц, суставов, сосудов и т.д.

К сожалению, эта унитарная теория специфичности, унаследованная от Бликса и Фон-Фрея с позапрошлого века, настолько внедрилась в наше представление, что даже в последних учебниках по физиологии, редактируемых К.В. Су­­даковым (Нормальная физиология. Курс физиологии функциональных систем, 1999), А.Д. Ноз­драчевым (Начало физиологии, 2002), Н.А. Агаджаняном (Основы физиологии, 2001) и др., в разделах «Рецепторы кожи» толкуется именно она — теория специфичности.

По-видимому, должно пройти много лет, чтобы в науке утвердились изложенные выше факты и правильно трактовались рассмотренные процессы. А жаль.

Литература

1. Pain and its nervous mechanisms. London; 1959.
2. Boivie J.J.G., Perl E.R. Neural substrates of somatic sensation. In: Physiology Series One. v. 3. Neurophysiology; 1975.
3. Douglas W.W., Ritchie J.M. A technigue for recording functional activity in specific groups of medullated and non-medullated fibres in whole nerve trunks. J Phisiol (London) 1957; 138: 19—30.
4. Гладышева О.С. Количественный анализ афферентной импульсации от рецепторов кожи при механическом и температурном раздражении. Дис. … канд. мед. наук. Горький, 1971.
5. Минут-Сорохтина О.П. Физиология терморецепции. 1972; М: Медицина.
6. Зевеке А.В. Деформация коллагена кожи при температурном воздействии. Физиол журн СССР 1972; 60(11): 1740—1746.
7. Зевеке А.В., Шапошников В.Л. Существуют ли специализированные холодовые рецепторы кожи? БЭБ и М 1979; 9: 270—272.
8. Бараз Л.А., Хаютин В.М. Дифференцированное действие химических раздражителей на рецепторы и чувствительные нервные волокна тонкого кишечника. Физиол журн СССР 1961; 47(10): 1289—1297.
9. Малышева Г.И., Зевеке А.В., Шапошников В.Л., Чигин В.К. Ноцицептивные прессорные рефлексы и импульсация в нерве при введении хлористого калия в кожу кошки. БЭБ и М 1971; 8: 6—8.
10. Малышева Г.И. Исследование структуры афферентных потоков при ноцицептивном раздражении рецепторов и нервов кожи кошки. Дис. … канд. мед. наук. Горький; 1976.
11. Зевеке А.В., Хаютин В.М. Определение спектра частоты афферентных импульсов в целом нервном стволе. Физиол журн СССР 1966; 52(3): 259—264.
12. Зевеке А.В., Гладышева О.С. Изменение спектра частоты в миелинизированных волокнах А-дельта при раздражении механорецепторов кожи. ДАН СССР 1969; 189(5): 1150—1153.
13. Zeveke A.V., Efes E.D., Malysheva G.I., Shaposhnikov V.L. Analysis of activity in A and C fibres under mechanikal and thermal stimulation of the skin receptor field. In: Progress in brain research; 1976; 151—156.
14. Айрапетян С.Н. Влияние температуры на мембранный потенциал нейронов улитки. Биофизика 1969; 14(4): 663—668.