Наука и жизнь // Иллюстрации

Основной источник тактильной информации у человека - кончики пальцев (А). Пальцы грызунов (Б) не чувствительны, усы (вибриссы)(В) полностью взяли на себя их функции, помогая животному ориентироваться в окружающем мире.

Обезьяна в возрасте одного месяца для того, чтобы взять крупный предмет из крупной ячейки, использует все пальцы на руке.

Медуза Aequorea Victoria в ультрафиолетовом освещении. Из тканей этого животного был впервые выделен зеленый флуоресцирующий белок экворин.

Отростки нейронов моторной коры головного мозга крыс (светятся зеленым цветом в ультрафиолете) образуют сеть вокруг моторных нейронов ядра лицевого нерва (окрашены в красный цвет).

И человек и животные познают окружающий мир через специальные анализаторы: зрительный, слуховой, обонятельный и тактильный (осязательный). У человека доминирует зрительный анализатор, у большинства хищных - обонятельный и слуховой, а у грызунов - тактильный и обонятельный. Все эти информационные каналы необходимы мозгу для создания картины внешнего мира. У позвоночных животных (от примитивных рыб до человека) самым эволюционно древним является чувство осязания. Тактильные анализаторы расположены в коже, зубной ткани и волосяных луковицах. Они представляют собой нервные окончания как свободные, так и заключенные в капсулу (так называемые тельца Фатер-Пачини и Меркеля). У приматов нервные окончания концентрируются на подушечках пальцев, а у грызунов они сосредоточены в волосяных сумках, из которых произрастают усы (вибриссы).

Информация от тактильных анализаторов передается по восходящим чувствительным путям в мозг, где она воспринимается таламусом, который еще называют зрительным бугром. Из таламуса сигнал поступает в кору (серое вещество) больших полушарий мозга, а именно - в ее заднюю центральную извилину, или чувствительную кору. Чувствительная кора построена из колонок или баррелей, состоящих из сотен нейронов, к которым подходят нервные волокна от таламуса и других отделов коры. Таким путем чувствительная кора "узнает" о том, что происходит во внешней среде, а ее отдельные участки обмениваются информацией с другими отделами чувствительной коры. Так она передает импульсы в двигательную кору, которая и посылает сигналы мышцам.

Передача нервных импульсов от центральной нервной системы к мышцам у большинства животных происходит в несколько этапов, и в ней задействовано множество промежуточных нейронов. И только у человека и других приматов есть прямые пути передачи сигнала: мотонейроны коры простирают свои аксоны прямо до моторных нейронов передних рогов спинного мозга, которые непосредственно управляют движениями рук и особенно пальцев. Этот путь называется кортикоспинальным (или пирамидным), и он характерен только для высших обезьян. Например, у беличьей обезьяны таких прямых каналов передачи сигнала практически нет, и пальцами она владеет плохо.

Описанный путь передачи нервного импульса из коры головного мозга к мышцам - не единственный. Кора у высших обезьян и человека также напрямую контролирует движения языка и мышц вокруг рта. Благодаря этим каналам передачи сигнала мимика приматов разнообразна, а артикуляция очень сложна. Без прямого управления мышцами языка невозможно было бы появление человеческой речи.

Кортикоспинальный путь (а следовательно, и мелкая моторика пальцев) не врожденный, он формируется в процессе индивидуального развития. У высших обезьян это происходит к концу первого года жизни. Поражение кортикоспинального пути при травме, опухолях или инсульте приводит в первую очередь к грубым нарушениям тонких движений пальцев.

В животном мире движения, которые по сложности сравнимы с мелкой моторикой пальцев приматов, встречаются, пожалуй, только у грызунов. Но познают они мир не пальцами, а усами, или вибриссами. С их помощью грызуны "ощупывают" предметы, определяют их размер и фактуру, создают пространственный образ. В обычном состоянии у бодрствующего животного вибриссы двигаются быстро и синхронно. Но как только зверек приступает к изучению окружающего мира, вибриссы начинают двигаться в разных направлениях. Сложные единичные движения вибрисс можно вызвать и экспериментально, электрически стимулируя отдельные нейроны моторной коры животных.

Наша исследовательская группа из Института Макса Планка задалась вопросом: а что если сложные движения вибрисс, как и мелкая моторика пальцев, напрямую контролируются корой больших полушарий? Как ни странно, ответить на него нам помогли вирусы, а точнее - лентивирусы.

Лентивирусы - это группа ретровирусов, наиболее известный среди которых ВИЧ. Геном любого ретровируса представляет собой одноцепочечную молекулу РНК. В живой клетке РНК ретровируса превращается в двухцепочечную ДНК, способную встраиваться в геном других клеток. Инфицированная вирусом клетка фактически начинает работать как конвейер для сборки новых вирусов: вирусная ДНК снова производит вирусную РНК и белки оболочки, которые "комплектуют ся" в вирусы. Исследователи научились менять геном лентивируса таким образом, что новые вирусы в зараженной клетке не образуются. В результате единожды инфицированная клетка несет в себе геном лентивируса, не передавая его другим клеткам.

Чтобы узнать, как далеко простираются отростки нер-вных клеток коры головного мозга крыс, нейроны решили "пометить" зеленым флуоресцирующим белком экворином. Этот белок впервые выделила группа американских и японских исследователей из медузы Aequorea в 1962 году. В солнечном свете раствор экворина выглядит слабо-зеленым, а в ультрафиолете становится ярко-зеленым. Но как "покрасить" нейроны экворином? Мы решили эту задачу следующим образом: инфицировали нейроны моторной коры измененным лентивирусом, не способным к производству новых вирусов, а в геном лентивируса встроили чужеродную последовательность РНК, которая кодировала синтез экворина.

С помощью лентивируса в живой клетке РНК экворина превращается в ДНК, то есть в ген этого белка, встроенный в геном клетки хозяина. Клетка начинает синтезировать чужеродный флуоресцирующий белок. Экворин накапливается внутри клетки, не нарушая ее жизнедеятельности. В результате содержимое инфицированных нейронов, включая отростки, постепенно окрашивается в зеленый цвет. Таким образом, чтобы увидеть нервную клетку, достаточно посмотреть на мозг (или его срезы) в ультрафиолетовом освещении (cм. фото на 1-й стр. обложки).

Итак, спустя месяц после инъекции вируса мозг крыс сфотографировали в ультрафиолетовом свете. Самые длинные из окрашенных отростков - аксоны обнаружили на значительном удалении от клеточных тел моторных нейронов коры - на расстоянии до 2 см. Это огромное расстояние для головного мозга крысы, длина которого не превышает 4 см. А некоторые окрашенные окончания отростков моторных нейронов коры головного мозга были обнаружены в непосредственной близости от клеток ядра лицевого нерва! Эта удивительная находка позволила нам с уверенностью сказать, что кора головного мозга напрямую управляет движениями вибрисс. Ведь крупные нейроны, сосредоточенные в самой краевой части лицевого ядра, управляют исключительно мышцами усов.

Так что мышки не просто шевелят усами - они ощупывают ими предметы, испытывая ощущения, похожие на те, что осязает человек, трогающий предметы руками. Трудно сказать наверняка, почему у грызунов в ходе эволюции сформировался такой уникальный орган осязания, можно только строить предположения. В большинстве своем грызуны - туннельные животные, проводящие основное время в норах под землей. Возможно, вибриссы были отобраны в процессе эволюции как наиболее удобный орган осязания в условиях ограниченного пространства.

№5, 2006