Читать книгу "Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл"

Когда смотришь на этого диковинного зверька, возникают вопросы: как и почему? Из всех хищников на планете крот-звездонос – самый злобный, ненасытный и стремительный едок из всех (в процентном соотношении размера и веса, разумеется). Он всеяден и пожирает все на своем пути: шаг за шагом, не пропуская ни единой крошки. Если вы считаете, что это гепард быстро убивает, то знайте: вот то маленькое существо с лучиками может ощупать, идентифицировать и заглотить добычу всего за 120 миллисекунд. В интернете много видео об этом. А вот если бы этот крот при подобном хищном поведении действовал хотя бы на полсекунды медленнее, он не смог бы поглощать достаточное количество пищи, необходимое для его быстрого метаболизма. Экстремальность и скорость, с которыми этот вид эволюционировал, ошеломляют.

А еще есть бедный голый землекоп: внешне он похож на маленькую крысу, живет под землей, как крот, но при этом не является ни крысой, ни кротом. Голые землекопы теснее связаны с дикобразами, шиншиллами и морскими свинками, чем с любыми другими млекопитающими. Недавно их выделили в отдельное семейство – землекоповых (Heterocephalidae), что означает, что они абсолютно уникальны. А если всего этого недостаточно, чтобы удивить вас, то стоит еще добавить, что вообще-то они и не голые: их тело покрыто жесткими торчащими тактильными ворсинками, похожими на пушок над верхней губой двенадцатилетнего мальчика, который пытается отрастить усы. Однако существует и землекопункул. В 2002 году Кеннет Катания и Фиона Ремпл явили миру гомункула-землекопа. Картинку нарисовала миссис Кэнтли нашего времени – Лана Финч, и изображение получилось воплощением ночного кошмара, наглядно показывающего все «прелести» образа жизни этого вида. У голого землекопа крошечные глазки, и раньше считалось, что они нефункциональны, но в 2010 году исследование показало, что землекопы действительно могут использовать свои глазки для обнаружения света. Слух у них очень чуткий, и в своих искусно построенных туннелях они слышат даже едва уловимое жужжание нерасторопного насекомого.

Голые землекопы – животные социальные, и у них уникальная среди млекопитающих иерархия. В каждой колонии есть матка-королева и пара самцов-производителей. Остальные члены колонии – рабочие особи, но и среди этой касты есть разделение функций. Матка производит потомство каждые два месяца, но отличить ее от других обитателей колонии можно не только по наличию детенышей и огромному размеру: подданные, вытягиваясь в струнку у стенок туннеля, всегда пропускают королеву, когда та патрулирует свои владения. Почти треть соматосенсорного аппарата голого землекопа сосредоточена на его зубах, которые он пускает в ход всегда и везде, за исключением разве что спаривания (впрочем, есть доказательства, что он использует свои огромные зубищи при социальных взаимодействиях, так что вполне возможно, что те вовлечены и в секс).

И все же самое интересное в голом землекопе – его мозг. Судя по всему, кора головного мозга у этого вида полностью трансформировалась таким образом, что почти вся область, обычно предназначенная зрению, была преобразована в тактильную способность зубов. Подобное ремоделирование – прекрасный пример пластичности мозга млекопитающих, однако мало что известно о том, как это все работает. К счастью, можно тщательно изучить, как реконструируется структура мозга в контексте восприятия чувств на примере мышункула.

Рис. 3.1. Кротункул (крот-звездонос), гомункул и мышункул. Пятнышки на голове у мышункула – это баррелы

Обычный гомункул-мышь (мышункул) имеет типичную большую голову и сильно увеличенную в размерах морду, как у всех гомункулов млекопитающих, которые используют тактильные механизмы головы для интерпретации мира природы (рис. 3.1). Грызуны, как правило, используют для этого вибриссы (усы): они постоянно шевелят ими, дотрагиваясь до предметов. Усы – это длинный сенсорный аппарат. В местах их крепления присутствуют нервные окончания. Информация, полученная рецепторами, передается в неокортекс мыши, концентрируется и «осмысливается» в баррелах соматосенсорной коры. Деннис О’Лири и его коллеги из Института биологических исследований Солка задались вопросом: как ремоделируются тактильные сенсоры мозга после того, как уменьшается сенсорная область, отвечающая за это чувство?

3.1 Баррелы, баррелетты и баррелоиды

У мышункула каких-то баррелов нет, а какие-то – меньшего размера из-за измененного гена PAX6. Мышункул мыши с мутированным геном очень сильно отличается от мышункула нормальной мыши. У мышей с поврежденным геном PAX6 также изменены и другие части мозга. К тому же в зоне поражения находятся и соматосенсорная кора (часть головного мозга, которая обрабатывает сенсорную информацию, полученную от других частей тела), задний мозг и таламус (часть лимбической системы). Оказывается, расположение участков нервной ткани и в заднем мозге, и в таламусе подобно расположению баррелов в соматосенсорной коре. Эти участки даже названы аналогично: в заднем мозге – баррелетты, а в таламусе – баррелоиды. То, как развиваются баррелы, влияет на развитие баррелеттов и баррелоидов, а следовательно, и на развитие таламуса и заднего мозга. Это означает, что на уровне развития возникает иерархия сигналов, которые тонко настраивают высшую нейронную структуру мозга. Изменение генов в иерархии или того, как эти гены проявляются, может оказать огромное влияние на сенсорные способности млекопитающих.

Они выяснили, что, когда область мозга, отвечающая за сбор тактильной информации, уменьшается в размерах, возможны два варианта развития событий. Первый: объединения баррелов, а следовательно, средства обработки информации из внешнего мира, могут стать просто миниатюрными. Второй: размер баррелов и их ориентация могут быть изменены в соответствии с другой структурной организацией мозга. Самый простой способ разобраться в этом вопросе – разведение мышей с некоторыми уменьшенными областями мозга, в частности с уменьшенной соматосенсорной корой. Существует мутировавшая разновидность мыши, так называемая узкоглазая мышь, и к подобной мутации привело именно уменьшение соматосенсорной коры. Причиной мутации стало повреждение белка PAX6, который считается основным геном-переключателем, определяющим развитие глаз (ген-переключатель – это ген, наличие которого необходимо, чтобы развитие шло по определенному пути). Другая функция белка PAX6 заключается в том, чтобы контролировать рост мозга посредством регуляции генов. К сожалению, узкоглазость у мышей несовместима с жизнью – те погибают еще на стадии эмбриона, и нельзя просто взять и развести их: узкоглазые мыши не доживут до того момента, когда смогут приносить пользу в эксперименте. О’Лири и его коллеги нашли способ локализовать экспрессию гена PAX6 с повреждениями в соматосенсорной коре, что само по себе уже невероятный трюк. И с помощью этих мутантов с локализованным геном они смогли получить карту мозга мышункула с уменьшенной соматосенсорной корой. Если взглянуть на эту карту, становится очевидно, что ремоделирование мозга включает в себя не миниатюризацию нейронных связей, а скорее радикальную реконструкцию существующего плана. Добавьте к этому простому, но элегантному эксперименту описанный во вставке 3.1 еще более точный анализ, и вы придете к выводу, что траектория развития позвоночных животных стремится к совершенству общей нейронной сети мозга. И изменение этой траектории радикально повлияет на сенсорные способности позвоночных.