Какие свойства разных типов рецепторов прикосновений определяют их чувствительность к разным механическим стимулам? Существует две основные гипотезы. Одна заключается в том, что каждый тип рецептора по своей природе отличается от остальных. То есть каждый тип на генетическом уровне запрограммирован на формирование в процессе своего развития разных белковых микромашин, которые преобразуют механические стимулы в электрические сигналы, и каждый отличается уникальным набором белковых ионных каналов, определяющих частоту и характер возбуждения клетки. Иными словами, исходные различия в программах экспрессии генов в принципе могут привести к тому, что рецепторы прикосновений того или иного типа будут реагировать только на один вид механических стимулов, посылать импульсы от кожи в ЦНС с определенной частотой, медленно или быстро адаптируясь к продолжительным воздействиям. Нам достоверно известно, что разные типы рецепторов прикосновений обладают разными характеристиками, но мы не знаем, насколько эти различия определяют уникальную чувствительность каждого из семи типов. Вторая идея заключается в том, что рецепторы различаются в основном своими окончаниями, расположенными в коже; разная форма нервных окончаний делает каждый тип рецепторов восприимчивым к определенному механическому воздействию[170]. Истина, по всей видимости, где-то посередине: разные электрические свойства и специализированные окончания в коже сообща придают каждому из семи основных инструментов оркестра, состоящего из рецепторов прикосновения, уникальную чувствительность и динамику импульсов.
Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК (то есть автор величайшего открытия в биологии ХХ века), однажды сказал: «Если хотите понять функцию, изучайте строение». Раньше анатомы исследовали строение сенсорных окончаний кожи в совокупности. Они видели густую сеть нервных окончаний разных форм и размеров, и эта сеть казалась им хаотичной. Такой подход не слишком информативен, если мы хотим понять особенности рецепторов прикосновений разных типов. Если же мы последовательно изучим окончания рецепторов каждого из семи типов с помощью современного метода генетической маркировки флуоресцентными белками, то нам чудесным образом откроется уникальная, итеративная и логическая организация окончаний рецепторов всех типов[171]. В действительности каждому типу рецепторов прикосновения соответствует очень сложная схема нервных окончаний в коже, уникальная и информативная. Рассмотрим три из них.
Млекопитающие обладают чрезвычайно чувствительными рецепторами, которые сообщают об отклонении волосков. У многих млекопитающих также есть довольно длинные вибриссы — своеобразные «габаритные усы», позволяющие ориентироваться в темноте. Некоторые животные способны изучать мир позади себя благодаря виляющему пушистому хвосту — удобно расположенному подвижному датчику, снабженному тысячами волосков. Люди не входят в число тех видов, которые добывают себе еду с помощью осязания: нам редко приходится искать дорогу в темных и узких туннелях, — но все же мы можем догадываться о преимуществах чувствительных вибрисс или хвоста-детектора. Как бы то ни было, у всех известных млекопитающих, включая нас, имеются рецепторы прикосновений, чрезвычайно чувствительные к отклонению волосков на теле; один из их типов получил название Aβ RA-LTMR. (Это техническое название, данное исследователями; Aβ означает, что его электрические импульсы быстро передаются в нервную систему; RA указывает на тот факт, что он быстро адаптируется к воздействию на кожу — генерирует импульс только в начале и по окончании воздействия; LTMR говорит о том, что это механорецептор с низким порогом срабатывания.) Интересно, что даже небольшое отклонение одного волоска может заставить Aβ RA-LTMR послать электрические импульсы от кожи в спинной, а затем и в головной мозг. Объяснение этой невероятной чувствительности к изгибанию волоса становится очевидным после изучения окончаний Aβ RA-LTMR в коже с волосяным покровом. У каждого Aβ RA-LTMR есть аксон, который огибает волосяные луковицы под поверхностью кожи. Исследование показало, что нервные окончания удивительно тесно взаимодействуют с волосяными луковицами. Главный отросток проходит сквозь кожу, огибает волосяную луковицу и разветвляется на 10–20 меньших по размеру вилообразных отростков, которые называются ланцетовидными окончаниями. Они тянутся вдоль поверхности луковицы. На снимках с высоким разрешением, сделанных с помощью электронного микроскопа, видно, что ланцетовидные окончания плотно обхватывают внешний слой волосяной луковицы, состоящий из эпителиальных клеток[172]. Эврика! Такая структура объясняет, почему Aβ RA-LTMR вырабатывает электрический импульс при сгибании волоса! Когда волос отклоняется, небольшое смещение волосяной луковицы относительно тесно прилегающих к ней ланцетовидных окончаний Aβ RA-LTMR приводит к растяжению мембраны этих окончаний, в результате чего открываются механически управляемые ионные каналы. Это, в свою очередь, вызывает электрическое возбуждение ланцетовидных окончаний. Слабые электрические сигналы от десятков ланцетовидных окончаний, окружающих волосяную луковицу, суммируются в зоне инициации спайка, расположенной у основания этих окончаний, и после превышения определенного порога вырабатывается электрический импульс, или спайк. Затем эти импульсы по принципу «все или ничего» передаются в спинной и головной мозг. Рецепторы Aβ RA-LTMR очень чувствительны к движению волосяной луковицы: даже самое слабое воздействие на кожу вызывает смещение луковицы относительно ланцетовидных окончаний, и в зоне инициации спайка формируется импульс. Aβ RA-LTMR генерирует один или несколько импульсов в самом начале отклонения волоса, а затем в конце, когда волосяная луковица возвращается в прежнее положение, растягивая ланцетовидные окончания на ее противоположной стороне (в результате чего и формируется импульс). Таким образом, структура ланцетовидных окончаний рецептора Aβ RA-LTMR и их тесная связь с эпителиальными клетками волосяной луковицы объясняют не только необыкновенную чувствительность к отклонению волоса и слабому нажатию на кожу, но и причину прекращения отправки импульсов в ЦНС во время стабильной фазы отклонения волоса или воздействия на кожу.
Второй тип рецепторов прикосновения, Aβ SA1-LTMR, участвует в восприятии формы предметов, которые вы берете в руку или которые касаются вашего тела. Окончания Aβ SA1-LTMR присутствуют и на коже с волосяным покровом, и на гладкой коже, а наиболее плотно они сосредоточены в зонах с самой высокой тактильной чувствительностью, в частности на кончиках пальцев[173]. Рецепторы Aβ SA1-LTMR, в отличие от Aβ RA-LTMR, медленно адаптируются (на что указывают буквы SA) к продолжительному воздействию на кожу. Другое их отличие от Aβ RA-LTMR заключается в том, что они совсем не реагируют на отклонение волос: можно сколько угодно крутить волоски, а эти рецепторы не сгенерируют ни единого импульса. Aβ SA1-LTMR следят за воздействием на кожу, посылая в ЦНС сотни импульсов в секунду, пока оно продолжается. Уникальное поведение рецептора Aβ SA1-LTMR объясняется особенностями его строения и уникальными «сообщниками» в эпидермисе. От каждого Aβ SA1-LTMR отходит один отросток, который обширно разветвляется на маленьком участке кожи. Каждая его «веточка» контактирует с чрезвычайно интересной специализированной клеткой кожи, которая называется клеткой Меркеля (в честь немецкого ученого Фридриха Зигмунда Меркеля, который описал их в 1875 году). На коже с волосяным покровом каждый рецептор Aβ SA1-LTMR образует тесные связи с 20–40 клетками Меркеля, которые вместе с другими клетками кожи группируются в сосочек — или так называемый купол соприкосновения[174]. В гладкой коже кластеры клеток Меркеля более многочисленны и располагаются ближе друг к другу, чем в коже с волосяным покровом, что соответствует более высокой плотности иннервации гладкой кожи рецепторами Aβ SA1-LTMR. Это объясняет высокую тактильную чувствительность кончиков пальцев. Недавние исследования выявили простой механизм, объясняющий, почему Aβ SA1-LTMR чрезвычайно восприимчивы к воздействию на кожу и продолжают посылать импульсы в ЦНС, пока оно длится. Оказывается, клетка Меркеля сама по себе воспринимает механическое давление и передает сигнал, природа которого пока неизвестна, в окончание рецептора Aβ SA1-LTMR[175]. Быстрая генерация импульсов Aβ SA1-LTMR во время начальной, динамической фазы воздействия, скорее всего, обусловлена непосредственным механическим давлением и возбуждением самого рецептора, а вторую, продолжительную фазу генерации импульсов во время длительного воздействия вызывает сжатие самой клетки Меркеля и опосредованное возбуждение Aβ SA1-LTMR. Таким образом, рецепторы Aβ SA1-LTMR обладают очень высокой чувствительностью и способны сообщать о форме того или иного объекта, а режим передачи сигнала, поддерживаемый связкой клеток Меркеля и Aβ SA1-LTMR, позволяет получать непрерывный (за счет медленной адаптации) поток данных о механическом воздействии. Именно это и требуется, чтобы читать шрифт Брайля или ощущать края монетки, которую вы пытаетесь выудить из кармана.
Свои морфологические особенности есть и у третьего типа рецепторов прикосновения, Aβ Field-LTMR, и они также помогают объяснить их функции. Окончания этих рецепторов обнаружены только в покрытой волосами (шерстью) коже млекопитающих, в том числе людей. Рецепторы Aβ Field-LTMR очень чувствительны к осторожному поглаживанию кожи, покрытой волосами, но при этом не реагируют на безвредное давление на кожу и на отклонение волос. У каждой клетки Aβ Field-LTMR есть один отросток, проходящий через кожу, где он интенсивно ветвится, образуя до 200 окончаний, каждое из которых оборачивается, обычно дважды, вокруг волосяной луковицы