Горячее и холодное, острое и мягкое, рукопожатия, прикосновения и объятия – осязание, наряду с другими органами чувств, формирует наше ощущение себя и окружающего мира.
Как прикосновения и движения понимаются нашим организмом? Как работают механизмы обработки информации нервной системой, и связано ли это с болью? Можно ли при помощи технологий изменять тактильные ощущения, восстанавливать утраченные сенситивные связи? Будут ли способны протезы в скором будущем чувствовать прикосновения подобно реальной коже человека?
На эти вопросы в своей лекции в Ельцин Центре отвечал Гурген Согоян – нейрофизиолог, стажёр-исследователь и аспирант центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколтеха. Его выступление состоялось 20 июня, в рамках совместного со Сколковским институтом науки и технологий цикла, посвящённого вопросам нейробиологии.
Как работают чувства?
Со школьных лет мы знаем, что у человека есть пять чувств, при помощи которых он может взаимодействовать с миром: зрение, слух, вкус, обоняние и осязание. А головной мозг реагирует на их сигналы.
По словам Гургена Согояна, на самом деле внутри организма человека есть больше сенсорных систем. Например, осязание совсем не такое простое, как о нём привыкли думать: оно включает в себя тактильные, температурные, проприоцептивные и болевые ощущения, каждое из которых является отдельной системой.
– Представьте, что вы решили налить себе горячий чай, и берёте чайник за ручку. В этот момент начинает работать система тактильных ощущений: от соприкосновения с внешним объектом произошло механическое раздражение на кончиках пальцев. От случайного прикосновения к горячей части чайника мы начинаем испытывать температурные ощущения, и оказывается, это ещё одна отдельная сенсорная система, которая обрабатывает именно температурный канал. Наконец, когда вы возьмёте чайник в руки и захотите налить воду в чашку, будут активироваться проприоцептивные ощущения. Они рассказывают мозгу о том, в каком положении сейчас находится тело, что сократились мышцы и в руках находится что-то тяжёлое.
От рецептора до мозга
Сигнал, который попадает в головной мозг через периферическую нервную систему, начинает свою жизнь с рецепторов. Их существует большое множество, и у каждого своя специализация, – рассказывает Гурген Согоян. – Тактильные ощущения в основном передаются при помощи механорецепторов, которым достаточно механического раздражения, чтобы «зажечься» и передавать эту информацию дальше. Обычно рецепторы работают по бинарному принципу: «зажечься»/«перестать гореть». В зависимости от того, с каким рецептором идёт взаимодействие, сигнал будет генерироваться по-разному. Рецептор и впоследствии нейрон будет «зажигаться» и «гаснуть» по разным паттернам. Учёные называют это степенью адаптации.
– Представим, что мы на протяжении долгого времени прикасаемся пальцем к столу, – рассказывает исследователь. – У нас есть рецепторы, которые к этому раздражителю будут адаптироваться медленно: пока мы держим палец на столе, они «горят». А есть рецепторы, которые в первую очередь реагируют на сам факт соприкосновения. Соприкосновение – самый яркий момент. У нас есть определённая система, которая «зажигается» только в самом начале и очень быстро адаптируется к непрерывной одинаковой стимуляции. Кроме того, мы способны различать, насколько интенсивно происходит соприкосновение.
Сигнал о раздражении передаётся по сенсорным нейронам, которые являются частью наших нервов. Постепенно сигнал доходит до спинного мозга, а затем приходит в определённую область головного. Это длительный, но эффективный путь: он позволяет нам выживать.
Есть рецепторы, которые нуждаются в жёстком нажатии, чтобы порог интенсивности был высоким – учёные называют их высокопороговыми. А есть такие, что не требуют высоких и сложных воздействий – это низкопороговые. Ещё одна важная характеристика рецептора – его рецептивное поле, то есть область, в которой рецептор всё ещё может принять участие в активации.
Как мы осязаем?
На кончиках пальцев находится множество клеток Меркеля, – рассказывает Гурген Согоян. – Они собраны в кластеры, адаптируются медленно и имеют маленькое рецептивное поле. Эти свойства делают клетки Меркеля особенно важными для передачи информации об угловатостях и кривизне объектов.
Другие рецепторы – это тельца Майснера. В отличие от предыдущих, они адаптируются достаточно быстро, имеют большое рецептивное поле и являются самыми представленными рецепторами в наших руках – до 40 процентов механорецепторов это они. Они важны для передачи информации о текстурах.
Чуть глубже находятся тельца Пачини. Они тоже очень быстро адаптируются, но их значительно меньше, всего 10 процентов. Они крайне чувствительны даже к малейшим растяжениям кожи и к высокочастотным воздействиям. Оказывается, практически любая механическая задача, которую мы решаем, включает в себя высокочастотные воздействия – например, написание текста ручкой.
Наименее изученные механорецепторы – это тельца Руффини. Они очень чётко реагируют на какую-либо деформацию кожи: например, активируются при сгибании пальца, и это обогащает спектр того, как мы осязаем.
С тактильных рецепторов взаимодействие соматосенсорной системы с внешней реальностью только начинается. В дальнейшем ключевое значение играют проприоцепторы. Они огибают наши мышечные волокна, и в момент, когда происходит сокращение, растягиваются вместе с ними, активно передавая об этом информацию. Проприорецепторы есть во всех участках тела, где есть мышцы. Таким образом мы непрерывно передаём информацию о том, в каком положении находятся наши мышцы сейчас и как тело ориентировано в пространстве.
Терморецепторы и ощущение боли
Механорецепторы во многом определяют то, считаем ли мы какое-то воздействие болевым или нет. Но есть и другие виды боли, и они передаются другими путями.
За передачу информации о температурных воздействиях отвечает семейство рецепторов, которое учёные называют TRP. В 2021 году за их открытие была присуждена Нобелевская премия в номинации «Медицина и физиология».
Эти рецепторы важны для нашего выживания, так как могут передать информацию о температуре, которая оказывается крайне опасной для нас. Интересно, что они воспринимают не только тепло, но и химическое воздействие: рецептор TRP реагирует на стимуляцию на уровне 50° Цельсия и выше, но если съесть острый перец, он также активируется.
Существуют и рецепторы, которые чувствительны к низким температурам, например, рецептор TRPM8. Он также чувствителен к ментолу, и именно поэтому ментоловая жвачка ассоциирована с ощущением холода.
От рецепторов информация передаётся по сенсорным нейронам. Эти нейроны могут быть разных размеров и иметь разную толщину миелиновой оболочки, которая важна для ускорения передачи сигналов. Это свойства волокон определяют, с какой скоростью информация будет передана дальше.
Таким образом, определённые спектры ощущений у нас связаны с определёнными видами волокон, и проприоцептивные волокна, которые отвечают за положение нашего тела в пространстве, являются наиболее быстрыми, – говорит Гурген Согоян.
Постепенно информация о раздражении доходит до нашего спинного мозга. В дальнейшем она передаётся наверх через таламус в различные участки соматосенсорной коры головного мозга.
Обработка ощущений мозгом
Когда информация доходит до головного мозга, начинается её комплексная обработка. Важно отметить, что разные области головного мозга отвечают за различные аспекты наших ощущений. Например, соматосенсорная кора ответственна за ощущения осязания и может различать разные области тела по их ощущениям.
Интересно, что чем больше в той или иной части тела рецепторов, тем больше будет соответствующая ей часть коры в мозге. Поэтому участок коры, отвечающий за ощущения из губ, по размеру сопоставим с участком, куда поступают сигналы из ног.
Также информация о температуре передаётся к другим областям мозга, таким как амигдала и инсула. Эти области играют ключевую роль в связи ощущений с эмоциональными реакциями. Например, когда мы ощущаем боль, связь с амигдалой может вызывать чувства страха или тревоги.
Интересно отметить, что наш мозг не только обрабатывает текущие ощущения, но и может активировать эти ощущения без внешних стимулов. Например, если мы вспоминаем ощущение тёплой воды или касания, то эти воспоминания также активируют соответствующие области мозга.
Вся эта сложная обработка информации позволяет нам ощущать и воспринимать окружающий мир. Мы можем определить температуру, текстуру, форму и другие характеристики предметов, которых мы касаемся. И эти ощущения, связанные с эмоциональными реакциями, формируют нашу общую восприимчивость к окружающей среде и влияют на наше поведение.
Взаимосвязь чувствования и движения
Эксперименты на животных помогли понять, как разные области мозга связаны с ощущениями и реакциями на стимулы. Животному помещали специальную электродную сетку на соматосенсорную кору и постепенно стимулировали его. Например, раздражали иголочкой пальцы и записывали активности в разных областях соматосенсорной коры в этот момент. Эта процедура называется картированием.
В ходе этих экспериментов выяснилось, что соматосенсорные ощущения, способность чувствовать своё тело в пространстве и движения тесно переплетены: информация об осязании передаётся в мозг рядом с областью, отвечающей за движения. Эта область называется моторной корой. Из неё в ответ на раздражение запускается сигнал, который постепенно доходит до нашего спинного мозга, затем по нервам доходит до мышц в руке и запускает их сокращение. В этот момент мы чувствуем, что произошло сокращение, и рецепторы передают эту информацию наверх. Таким образом, работает цикл, который включает и моторную, и соматосенсорную компоненту.
Восстановление чувствительности у людей с ампутированными конечностями
Гурген Согоян рассказал об экспериментах, которые его лаборатория в Сколтехе проводила с людьми с ампутированными конечностями. У них моторно-соматосенсорный цикл нарушен, так как пропадает возможность чувствовать и совершать движения. В помощь таким пациентам разработаны бионические протезы. Они представляют собой систему взаимодействия между нервной системой и протезом. Задача заключается в том, чтобы нервная система могла запускать работу протеза, позволяя человеку использовать протез для выполнения различных движений.
Бионические протезы в своей работе могут базироваться на одном из двух подходов. Первый – использование электромиографии для регистрации работы остаточных мышц и запуска протеза на основе сокращения этих мышц. Второй подход заключается в записи электрических импульсов непосредственно из нервов для более точного и сложного управления протезом. Для этого используют инвазивные методы – помещают электроды в нервную ткань. Учёным известно, какие электрические импульсы идут по ней во время движения. Эти импульсы и будут запускать протез.
Бионические протезы позволяют людям с ограниченными движениями восстановить функциональность и взаимодействовать с миром. Гурген Согоян привёл пример работы с тетраплегиком, у которого парализованы все четыре конечности.
Пациенту в моторную кору имплантировали электроды, которые передавали информацию алгоритму искусственного интеллекта. Этот алгоритм позволяет понимать намерение человека совершить движение и управлять экзопротезом. Искусственная обратная связь между человеком и протезом позволяет ему более эффективно управлять протезом без необходимости постоянно смотреть на него.
Инвазивные и неинвазивные технологии сенсорного восстановления
Технологии сенсорного восстановления могут быть инвазивными или неинвазивными, и в зависимости от этого используются различные методы для передачи сигналов и обратной связи.
Наиболее простой и безопасный метод – поверхностная стимуляция с помощью электродов, которые приклеиваются на кожу. Более сложные методы включают имплантацию электродов в ткани организма, например, в нервы или спинной мозг. Технология периферической стимуляции нервов (PNS) широко используется, подключая электроды к нервам для восстановления обратной связи между нервной системой и протезом.
Процесс работы с технологией нейропротезирования включает три этапа: операцию для установки электродов, картирование (фиксацию электрического сигнала) и тестирование работы системы для оценки ее эффективности. Различия между разными типами электродов связаны с их способностью передавать сигналы нервной системе и обратно. Электроды, которые просто опоясывают нерв, предоставляют однонаправленную стимуляцию, например, стимулируя нервную систему для работы протеза. Однако они не предоставляют обратной связи от нервов к протезу.
Электроды, которые пронизывают нерв насквозь, позволяют получать обратную связь от нервов обратно к протезу, что значительно повышает контроль и возможности управления протезом. Электроды, которые и опоясывают, и пронизывают нерв насквозь, сочетают в себе обе функции. Они обеспечивают более тонкую настройку и контроль над передачей ощущений и движений.
Перспективы нейропротезирования
Учёные и специалисты по нейропротезированию стремятся разработать технологии, которые позволят людям с ампутацией или параличом более полноценно использовать протезы и воспринимать их как часть своего тела. Периферическая стимуляция нервов и работа с различными типами электродов открывают новые возможности в этой области. Такие исследования имеют потенциальное значение для лечения фантомных болей, обеспечения более точного управления протезами и улучшения качества жизни пациентов. Но следует отметить, что это ещё активная область исследований, и разработка более сложных и эффективных методов продолжается.
Гурген Согоян рассказал о собственных экспериментах с нейропротезированием. Разработанный в Сколтехе протез реагирует на размеры объектов, сжимаясь больше на маленьких и меньше на больших. Протез управляется кнопкой, пациент носит наушники и маску, чтобы изолироваться от протеза. Точность различения объектов высока, около 80 процентов. Система объединяет разные стимуляции для проприоцептивных и тактильных ощущений. Учёные также комбинировали стимуляции для различения жёстких и мягких объектов.
Контролируя протез сенсорно, пациенты чувствовали интеграцию протеза с телом, особенно это касается протезов с проприоцептивной обратной связью. Измерения при помощи опросных листов подтверждали улучшение восприятия протезов. В итоге, электростимуляция доказала свою эффективность в управлении протезами и смягчении фантомных болей. По словам Гургена Согояна, у этой технологии есть потенциал для интеграции протезов с телом.
