Пластичность соматосенсорной коры

Часть 3. Осязание

Часть 3. Осязание………………………………………………………………………………………...

Механорецепция у круглого червя Ceanorhabditis elegans

Насекомые

Акустические сенсиллы и тимпанальные органы

Тактильные рецепторы кожи млекопитающих

Быстро адаптирующиеся рецепторы кожи

Медленно адаптирующиеся рецепторы кожи

Анализ тактильной информации в мозге

Пластичность соматосенсорной коры

1. Механорецепция у круглого червя Ceanorhabditis elegans

С. elegans интенсивно изучается молекулярными биологами. В сущности, когда генетики поняли, что основные закономерности биологии прокариот установлены в работах на Е. coli, а биологии эукариот на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, следующей и последней заманчивой целью стали многоклеточные животные. Генетики стали искать животное, которое легко культивировать, с быстрым развитием, т.е. такое, на котором можно адаптировать и применить мощные методики, используемые в микробиологической генетике. Избранный ими организм – маленькая (около 0,5 мм в длину) свободно живущая нематода Caenorhabditis elegans (рис. 23). За более чем 40 лет интенсивных исследований раскрыты секреты ее генетики, физиологии, анатомии и поведения. Известно точное количество нервных клеток в ее нервной системе (302), синаптическая структура нервной системы, а каждый из ее нейронов полностью изучен электронно-микроскопически; геном полностью изучен в 1998 году.

Как и все животные, С. elegans чувствительна к прикосновению. Применяли два типа тактильных стимулов – осторожное прикосновение волоском ресницы и более интенсивное воздействие тонкой проволочкой. Наиболее интересные результаты получены в исследованиях реакции на мягкую стимуляцию.

Помещенная в чашку Петри С. elegans двигается, синусоидально изгибая тело, до тех пор, пока не получит тактильного стимула. Если слегка прикоснуться к передней части тела, направление движения меняется на противоположное, и червь извивается обратно по чашке; если прикоснуться к задней части, червь продолжит движение вперед. Большое количество мутаций (более 440), затрагивающих 15 генов, влияет на эти реакции. То, что червь при этом сохраняет способность двигаться вообще, подтверждается уколом проволокой. Большинство из этих мутаций классифицируется как тес-мутации, поскольку возникающие фенотипы описываются как аномальные по механочувствительности (mechanosensitive abnormal). Соответственно, и гены, в которых наблюдаются эти мутации, обозначаются тес, а белки, которые они кодируют – МЕС.

Показано, что прикосновение детектируется шестью нейронами: двумя передними латеральными микротубулярными клетками (левой и правой) – ПЛМЛ и ПЛМП – двумя задними латеральными микротубулярными клетками (левой и правой) – ЗЛМЛ и ЗЛМП; одной передней вентральной микротубулярной клеткой – ПВМ. Еще один нейрон, вероятно, также вовлечен в процесс хотя, в отличие от остальных, он и не способен детектировать устранение прикосновения, это – задняя вентральная микротубулярная клетка – ЗБМ. Анатомическое положение этих нейронов-детекторов прикосновения показано на рисунке 24.

Осязательные рецепторные нейроны, как показывают их наименования, характеризуются наличием в них пучка очень крупных микротрубочек. Электронно-микроскопическое исследование показало, что отдельные микротрубочки, входящие в пучок, связаны между собой и состоят из 15 протофиламентов (в отличие 11 протофиламентов в остальных микротрубочках С. elegans и 13 протофиламентов в остальном животном царстве). Эти необычно крупные и ультраструктурно необычные микротрубочки намного короче самого нейрона (не более 5% его длины) и ориентированы под углом к его длинной оси. Дистальные концы микротрубочек, вероятно, погружены в плазматическую мембрану нейрона, что предполагают какую-то механическую связь с ней. Микротрубочки существенны для функционирования нейрона – если микротрубочки разрушаются колхицином либо повреждаются вследствие мутации, осязательная чувствительность утрачивается.

Нейроны осязательной рецепции расположены под кутикулой («кожей») червя, к которой они присоединяются внеклеточной «мантией» фиброзного материала (рис. 25). Ультраструктурные исследования позволяют предположить наличие механической непрерывности между кутикулой и микротрубочками отростках нейронов осязательной рецепции. Стоит напомнить, что тубулярное тельце механочувствительного волоска насекомых тоже состоит из плотно упакованных микротрубочек, соединяющих нейросенсорную клетку с кутикулой.

Генетический анализ проводился путем вызывания мутаций и исследования их влияния на способность червя реагировать на осторожное прикосновение. Когда такая утрата обнаруживается, молекулярно-биологическая техника привлекается для выяснения того, какая структура определяется мутировавшим геном. В некоторых случаях удалось обнаружить гены, ответственные за факторы, необходимые для развития самих осязательных клеток или контролирующие действие других mec-генов. Еще в нескольких интересных случаях открыты гены, кодирующие канальные белки и дополнительные элементы, соединяющие каналы с кутикулой, с одной стороны, и нейрональные микротрубочки – с другой.

Мес-4 и mec-10 – два гена, определяющие канальные белки – МЕС-4 и МЕС-10. Эти гены называются также «дегенеринами», поскольку мутации в них, обусловливающие формирование дефектных МЕС-4 и МЕС-10, ведут клетки, в которых они экспрессируются, к разбуханию и гибели. И МЕС-4, и МЕС-10 принадлежат к суперсемейству белков, состоящих из трех субъединиц белка Nа⁺-канала эпителия млекопитающих (ENaC). Субъединица включает два трансмембранных сегмента, и С-, и N-концы локализованы внутрикле-точно, имеется большая внеклеточная петля (рис. 26). Хотя точная структура МЕС-канала пока не определена, по аналогии с другими каналами, особенно эпителиальными натриевыми каналами млекопитающих, предполагается что это объединение шести субъединиц, возможно – смеси МЕС-4 и МЕС-10. Имеются некоторые свидетельства того, что mec-6 кодирует другую канальную субъединицу – МЕС-6, в этом случае канал, видимо, представляет собой гетеротример субъединиц МЕС-4, МЕС-6 и МЕС-10.

Как упоминалось выше, известно намного больше генов mec. Во многих случаях выяснено, какую роль играет каждый из них. Мутации в генах mec-7 и mec-12 приводят к разрушению 15-ти протофиламентных микротрубочек, так характерных для нейронов осязательных рецепторов. Другой ген – mec-2 кодирует белок, состоящий из 481 аминокислоты, сходный со стоматином цитоскелета красных кровяных клеток млекопитающих, который, как полагают, участвует в связи между каналом МЕС и микротрубочками (рис. 27). Другие гены – mec-1, mec-5, mec-9 кодируют белки МЕС-1, МЕС-5 и МЕС-9, которые обнаруживаются вне клетки – в мантии.

Интересная, хотя пока еще спорная, модель предложена для связи всех этих элементов в функциональный тактильный рецептор – она представлена на рис. 28. МЕС-1, МЕС-5 и МЕС-9 организованы так, чтобы передать давление на кутикулу субъединице МЕС-4 и открывать канал. Когда канал открывается, ионы Na⁺ двигаются по градиенту концентрации, и нейрон деполяризуется. Такая механическая трансмиссия работает, если канал стабилизирован за счет прикрепления его к микротрубочкам. Такое прикрепление обеспечивается белком МЕС-2. Иными словами, механическая трансмиссия должна вызвать смещение сети микротрубочек внутрь, что, поскольку сеть присоединена к плазматической мембране, увеличивает натяжение последней и, таким образом, вызвает открывание канала.

Хотя многое еще остается спорным, осязательный рецептор С. elegans является наиболее изученным на молекулярном уровне механорецептором. Предполагается, что знания о молекулярном механизме, исследованном на механорецепторах C.elegans, могут оказаться полезными для понимания того, как функционируют волосковые клетки позвоночных.

1. Насекомые

Механорецептивные волосковые сенсиллы и хордо-тональные органы насекомых состоят из кутикулярных выростов различной формы и размеров, содержащих нейросенсорные клетки, чьи дендриты присоединены к внутренней части волоска сенсиллы посредством «тубулярного тельца», содержащего микротрубочки. Движение чувствительного волоска обеспечивает адекватный стимул для того, чтобы вызвать изменение потенциала на мембране тубулярного тельца и дендрита. Движение в одном направлении вызывает деполяризацию, в противоположном – гиперполяризацию. Во многих случаях волоски сенсилл соединены с экзоскелетом таким образом, что движение в одной из плоскостей – наиболее свободно, т.е. сенсиллы селективны по направлению движения.

В области сочленения сегментов и конечностей насекомых развились обширные участки механочувствительных сенсилл, обеспечивающих животное кинестезической информацией. Сенсиллы также, несомненно, функционируют как тактильные волоски и по всему остальному телу, особенно голове, где они сильно развиты в антеннах (в наибольшей степени у видов с ночной и сумеречной активностью, а также норных и подземных). Церки таракана, например, усеяны длинными нитевидными сенсиллами.

Механочувствительные сенсиллы играют важную роль и в восприятии вибрации. Субгенуальные органы (ганглий над барабанными перепонками) многих насекомых особенно существенны для детектирования вибраций в диапазоне 10-50 Гц. У американского таракана Periplaneta этот диапазон значительно выше и достигает пределов, которые можно определить как акустические. Помимо субгенуальных органов у многих насекомых развиты воспринимающие вибрацию сколопидии в лапках. Некоторые водные виды клопов (Hemiptera) и жуков (Coleoptera) используют эти сенсоры вибрации для улавливания ряби, вызванной падением в водоем жертвы. Полужесткокрылая водомерка Gerris касается воды своими лапками сверху, тогда как гребляк Notonecta, плавающий на спине, касается пленки поверхностного натяжения воды снизу. Амплитуда волны в пределах 0,5-4 мкм представляет собой адекватный надпороговый стимул при оптимальной частоте 20-200 Гц. Задержка времени порядка 1-4 мс вместе с различием амплитуд, воспринимаемых расставленными лапками, используется для определения направления на источник колебаний. В данном случае участвуют всего менее десяти сколопидиев лапок. Между этими рецепторами вибрации и механорецепторами, подобных таковым позвоночных, детектирующими слабые колебания воздуха, которые субъективно воспринимаются как звук, нет особой разницы. Действительно, нелегко провести границу между детекторами вибрации и акустическими рецепторами насекомых, которые, в отличие от позвоночных, представляют собой те же самые рецепторы, часто активируемые колебаниями почвы, воды или воздуха.