Трансформация раздражения в рецепторах. Первичные рецепторы.

Первичным звеном в функционировании любой сенсорной у высших животных и человека системы является трансформация энергии раздражения в нервный импульс. Как уже отмечалось, рецепторные структуры приспособлены к восприятию определенного (адекватного для этого рецептора) типа сигнала. Однако, адекватность рецепторов не является абсолютной, в некоторых случаях рецепторы могут активироваться и неадекватными сигналами. Специализация рецепторов определяется наличием у них специфических механизмов, позволяющих регистрировать минимальную энергию раздражителя. Чувствительность рецепторов может быть очень высокой, в некоторых случаях предельно возможной по физическим законам величины. Например, для возникновения светового ощущения, достаточно попадания в глаза всего лишь нескольких сотен квантов энергии света. По способности восприятия различных видов энергии раздражителя, рецепторы животных и человека, подразделяются на механорецепторы, терморецепторы, хеморецепторы и фоторецепторы. У некоторых водных животных имеются электрорецепторы, которые реагируют на изменение напряженности электрического поля в проводящей среде. У различных организмов эти рецепторы приспособлены для восприятия определенного, узкого интервала энергии соответствующего раздражителя и соответственно, могут различаться по структуре. Например, глаза человека, воспринимают электромагнитные волны с длиной волны в пределах, 400 – 800 нм ( видимый свет). Глаза некоторых представителей млекопитающих и птиц (кошки, совы) способны воспринимать длинноволновую, инфракрасную часть спектра (1000 нм и более ). Несмотря на узкую специализацию, функционирование всех сенсорных систем, происходит по общему механизму. Во всех типах рецепторов энергия раздражителя трансформируется в потенциал действия и возникает нервный импульс. Потенциал действия рецептора называют рецепторным (генераторным) потенциалом.

У некоторых типов рецепторов нервный импульс возникает непосредственно на мембране нейронов (нервных окончаниях). Такие рецепторы называют первичными рецепторами. Первичным рецепторами являются нервные окончания в наружных покровах, реагирующие на механические раздражения, изменения температуры окружающей среды. Однако, большая часть рецепторов живых организмов представляют собой комплекс нейронов с другими типами клеток. В таких рецепторах энергия раздражителя преобразуется в какой-либо клеточный процесс, и лишь затем эти клетки передают сигнал на нервные окончания, как правило, путем выделения химического вещества (медиатора). Такие рецепторы получили название вторичных рецепторов. К вторичным рецепторам относятся органы слуха, зрения, вкусовые рецепторы.

Рассмотрим некоторые типы рецепторов и механизмы их функционирования.

Механорецепторы. К первичным механорецепторам животных относятся свободные нервные окончания в коже, оплетающие корни волос и рецепторы растяжения в мышечных веретенах, где нервные окончания оплетают мышечные волокна. В большинстве случаев механорецепторы животных представлены вторичными рецепторами, в которых механическое воздействие воспринимают особые клетки. К такому типу рецепторов относится инкапсулированные механорецепторы, в которых окончание нервной клетки расположено внутри капсулы из клеток соединительной ткани (тельце Мейсснера – осязательный рецептор, тельце Фатера-Паччини). Капсула играет роль не только поддерживающей структуры, а участвует в генерации рецепторного потенциала. Исследования показывают, что между обкладочными клетками и нервным окончанием существуют синапсоподобные структуры. Другие нервные волокна проникают таким же образом в эпидермис и заканчиваются контактами с осязатель­ными клетками (клетки Меркеля). Нервное окончание расши­ряется и образует с клеткой Меркеля синапсоподобный кон­такт. Эти окончания являются механорецепторами, восприни­мающими изменения механического давления на ткани.

Несвободные нервные окончания могут быть инкапсулирован­ными (покрыты соединительнотканной капсулой) и неинкапсу­лированными (лишены капсулы). Неинкапсулированные нервные окончания встречаются в соединительной ткани. К ним относят­ся также окончания в волосяных фолликулах. Инкапсулирован­ными нервными окончаниями являются осязательные тельца, пластинчатые тельца, луковицеобразные тельца (тельца Гольд­жи- Маццони), генитальные тельца. Все эти нервные оконча­ния - механорецепторы. Пластинчатые тельца (тельца Фатера-Пачини) - самые крупные из всех инкапсулированных нервных окончаний. Они овальные, достигают 3-4 мм в длину и 2 мм в толщину. Распо­лагаются в соединительной ткани внутренних органов и под­кожной основе (дерме, чаще - на границе дермы и гиподермы). Большое число пластинчатых телец имеется в адвентициальной оболочке крупных сосудов, в брюшине, сухожилиях и связках, по ходу артериоловенулярных анастомозов. Тельце снаружи по­крыто соединительнотканной капсулой, имеющей пластинчатое строение и богатой гемокапиллярами. Под соединительноткан­ной оболочкой лежит наружная луковица, состоящая из 10­60 концентрических пластинок, образованных уплощенными гексагональными периневральными эпителиоидными клетками. Войдя в тельце, нервное волокно теряет миелиновую оболочку. Внутри тельца оно окружено лимфоцитами, которые формиру­ют внутреннюю луковицу.

Осязательные тельца (тельца Мейсснера) длиной 50-160 мкм и шириной около 60 мкм, овальные или цилиндрические. Их особенно много в сосочковом слое кожи пальцев. Они имеются также в коже губ, краев век, наружных половых органов. Тельце образовано множеством удлиненных, уплощенных или груше­видных лимфоцитов, лежащих один на другом. Нервные волок­на, входящие в тельце, теряют миелин. Периневрий переходит в окружающую тельце капсулу, образованную несколькими слоями эпителиоидных периневральных клеток. Осязательные тель­ца являются механорецепторами, воспринимающими прикос­новение, сдавление кожи.

К вторичным механорецепторамотносятся рецепторы звуковых колебаний у животных. Восприятие колебаний воздуха играет большую роль в жизнедеятельности организмов, поскольку позволяет обнаружить источник раздражения на расстоянии без непосредственного контакта (дистанционная рецепция).

Орган слуха млекопитающих подразделяется на три отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо. Наружное ухо включает ушную раковину и наружный слуховой проход. Ушная раковина улавливает звуки и определяет их направление. У некоторых животных (лошадь, собака) она подвижна, что облегчает восприятие звука. У человека наружный слуховой проход имеет длину около 2,5 см и заканчивается эластичной барабанной перепонкой, которая отделяет наружное ухо от среднего.

Среднее ухо. Среднее ухо представлено барабанной полостью около 1 кубического сантиметра, в которой помещаются три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Колебания барабанной перепонки передаются молоточку, от него через наковальню – к стремечку, от стремечка – во внутреннее ухо. Полость среднего уха при помощи слуховой, или евстахиевой, трубы сообщается с носоглоткой. По слуховой трубе в барабанную полость попадает воздух, благодаря чему давление на барабанную перепонку со стороны барабанной полости выравнивается. Если же разница в давлении по обе стороны перепонки большая, перепонка может разорваться. Во внутренней стенке барабанной полости, отделяющей среднее ухо от внутреннего, имеются два отверстия – круглое и овальное, затянутые перепонкой. Основная функция среднего уха – проведение звуков от барабанной перепонки через слуховые косточки к овальному окну, ведущему в преддверие.

Внутреннее ухо.Внутреннее ухо расположено в височной кости и состоит из костного и перепончатого лабиринтов. Перепончатый лабиринт расположен внутри костного, между ними имеется пространство, заполненное перилимфой. Внутри перепончатого лабиринта имеется жидкость, называемая эндолимфой. В лабиринте расположено два органа: улитка – орган слуха и вестибулярный аппарат – орган равновесия. Улитка – спирально извитый костный канал, имеющий у человека 2,5 оборота. Канал улитки перепончатой перегородкой (основная мембрана) делится на две части – верхнюю и нижнюю лестницу, сообщающиеся у верхушки улитки. На основной мембране расположен звуковоспринимающий аппарат – кортиев орган. Основная мембрана содержит большое количество (24 тыс.) волокон различной длины, натянутых как струны, причем каждая струна резонирует на определенный звук. Сам кортиев орган слагается из нескольких рядов клеток, среди которых можно различить чувствительные слуховые клетки с волосками (волосковые клетки), которые являются рецепторами звуковых коле-баний.

Рис. Строение уха человека

Таким образом, с функциональной точки зрения орган слуха делится на две части: звукопроводящий аппарат – наружное и среднее ухо и звуковоспринимающий – внутреннее ухо. Звуковые волны, улавливаемые ушной раковиной, направляются в наружный слуховой проход и достигают барабанной перепонки. Колебания последней по системе слуховых косточек передаются на перепонку овального окна, ведущего в полость внутреннего уха. Механические колебания перепонки овального отверстия вызывают колебания перилимфы в улитке. Однако колебания в замкнутой полости возможны лишь при наличии отдачи. Роль такой отдачи выполняет перепонка круглого окна. С перилимфы звуковые колебания передаются эндолимфе, которая вызывает колебания волоконец основной мембраны. Колебаясь, волоконца раздражают нависающие над ним волосковые клетки кортиева органа. Эти клетки трансформируют звуковые колебания в процессе нервного возбуждения, которое по слуховому нерву передается в височную зону коры.

Ухо человека воспринимает звуковые волны с частотой 16 - 20 кГц. У некоторых животных границы слуха значительно шире. Например, собака воспринимает звук с частотой 35 кГц., кошка до - 70 кГц., а летучая мышь- до 100 кГц.

Хеморецепторыопределяют способность организмов реагировать на воздействие различных химических веществ. Можно выделить обонятельные рецепторы, которые воспринимают летучие соединения в составе воздуха, вкусовые рецепторы служат для оценки химических веществ при непосредственном их контакте с клетками. Хеморецепторы внутренних органов, воспринимающие изменения химического состава внутренней среды организма. Рассмотрим эти типы рецепторов в организме человека.

Обонятельные рецепторы расположены в слизистой оболочке носовой полости, в области верхней носовой раковины. Рецепторные клетки представлены биполярными нервными клетками, дистальный отросток которых направлен в сторону поверхности слизистой и заканчивается утолщением , несущим погруженные в слой слизи ворсинки (Рис.7 а). Второй тонкий отросток нейрона представляет афферентное волокно; множество таких волокон, не сливаясь в один ствол, проходят через микроскопические отверстия в решетчатой кости в полость черепа к обонятельным центрам. Как видно, обонятельные рецепторы представляют собой первичные рецепторы. Пахучие вещества после растворения в слизи эпителия напрямую действуют на мембрану нервной клетки, вызывая в ней после соответствующей трансформации разряд нервного импульса. Предполагается, что рецепторы специализированы для восприятия определенных химических группировок (осмофоров). Ощущение запаха возникает в результате комбинаций эффектов от многих рецепторов, реагирующих с различными осмофорами. Характерной особенность обонятельной системы является ее исключительно высокая чувствительность, лежащая в ряде случаев на пределе физической вероятности. Так, человек может чувствовать запах некоторых веществ в разведении порядка 1: 1¹⁰, а беспозвоночных животных - на несколько порядков выше. Для обоняния характерна хорошо выраженная адаптация к действию пахучих веществ, однако, она носит избирательный характер.

Рис. 7. Структура обонятельного и вкусового рецепторов человека(костюк,450 с).

1- слой слизи; 2- реснички; 3- поддерживающая клетка; 4 - обонятельная (рецепторная) клетка; 5 - базальная клетка; 6-афферентные волокна; 7- пора; 8- эпителий; 9- микроворсинки; 10- первичные чувствительные клетки; 11 - синаптические соединения;

Вкусовые рецепторы располагаются на особых выростах (сосочках) слизистой оболочки языка. Несколько десятков таких клеток с клетками эпителия образуют особые структуры - вкусовые луковицы. Вкусовые луковицы являются вторичными рецепторами, в которых рецепторные клетки образуют синаптические контакты с окончаниями афферентного нервного волокна. Воспринимающая поверхность рецепторных клеток образует ворсинки, обращенные в сторону углубления на вершине луковицы, открывающегося на поверхность слизистой (пора). Для взаимодействия с рецептором растворенная в слизи "вкусовая" молекула должна попасть в пору.

Вкусовые луковицы четко разделяются на типы, которые характеру возникающих в них ощущений обозначаются как рецепторы соленого, кислого, сладкого и горького вкусов. Остальные вкусовые ощущения представляют собой комбинации этих основных модальностей.

Терморецепторы. В коже имеются два типа рецепторов, отвечающих за температурную чувствительность - тельца Руффини , реагирующие на тепло, и колбочки Краузе , реагирующие на холод. Однако главными температурными рецепторами кожи являются, видимо, многочисленные свободные нервные окончания . В интервале температуры кожи 31 - 37^оС, никаких температурных ощущений не возникает. Поэтому этот диапазон температур называется нейтральным. Вне пределов этого диапазона возникают ощущения холода или тепла. При температурах ниже 18^оС ощущение холода становится болезненным, равно как ощущение тепла при температурах выше 45^оС. И "тепловые", и "холодовые" рецепторы лежат в толще кожи. Они образуют мозаику тепловых и холодовых пятен, каждое диаметром около 1 мм. Наибольшая плотность этих термочувствительных пятен обнаружена в коже областях лица. На губах до 16 - 19 холодовых пятен на 1см², в носовой области - 8 – 13, в области лба - 5 - 8 на см² . Напротив, на ладонях рук только 1 - 5/см2, а на пальцах - 2 - 4 пятна на 1 см2. Тепловые пятна встречаются реже - 1,7/см2 на пальцах и 0,4 - на ладонях. Во многих частях тела они встречаются достаточно редко. Показано, что термочувствительные окончания, реагирующие на холод , локализованы в верхней части дермиса (около 0,17 мм ниже поверхности кожи), тогда как реагирующие на тепло - несколько глубже (около 0,3 мм).

Рис. Локализация терморецепторов в тканях кожи человека

Генитальные тельца (тельца Руффини) веретенообразные, расположены в коже пальцев кисти и стопы, в капсулах суста­вов и стенках кровеносных сосудов. Тельце окружено тонкой капсулой, образованной периневральными клетками. Войдя в капсулу, нервное волокно теряет миелин и разветвляется на множество ветвей, которые заканчиваются колбообразными вздутиями, окруженными леммоцитами. Окончания плотно прилегают к фибробластам и коллагеновым волокнам, форми­рующим основу тельца. Тельца Руффини являются механоре­цепторами, они также воспринимают тепло и служат пропри­орецепторами.

Концевые колбы (колбы Краузе) сферические по форме, рас­положены в коже, конъюнктиве глаз, слизистой оболочке рта. Колба имеет толстую соединительнотканную капсулу. Войдя в капсулу, нервное волокно теряет миелиновую оболочку и раз­ветвляется в центре колбы, образуя множество ветвей. Колбы Краузе воспринимают холод; возможно, они являются и меха­норецепторами .

Тактильные и болевые рецепторы (ноцирецепторы). Поверхностные ткани снабжены нервными окончаниями различных афферентных волокон . Наиболее толстые, миелинизированные Αβ-волокна обладают тактильной чувствительностью. Они возбуждаются при неболезненных прикосновениях и при перемещении. Эти окончания могут служить как полимодальные неспецифические болевые рецепторы только при патологических условиях, например, вследствие возрастания их чувствительности (сенсибилизации) медиаторами воспаления. Слабое раздражение полимодальных неспецифических тактильных рецепторов приводит к чувству зуда. Порог их возбудимости понижают гистамин и серотонин. Специфическими первичными болевыми рецепторами (ноцирецепторами) служат два других типа нервных окончаний — тонкие миелинизированные Αδ-терминали и тонкие немиелинизированные С-волокна, филогенетически более примитивные. Оба эти типа нервных терминалей представлены и в поверхностных тканях, и во внутренних органах. Некоторые участки тела, например, роговица, иннервируются только Αδ и С-афферентами. Ноцирецепторы дают чувство боли в ответ на самые разные интенсивные стимулы — механическое воздействие, термический сигнал (обычно, с температурой более 45-47°С), раздражающие химикаты, например, кислоты. Ишемия всегда вызывает боль, поскольку провоцирует ацидоз. Мышечный спазм может вызывать раздражение болевых окончаний из-за относительной гипоксии и ишемии, которые он вызывает, а также вследствие прямого механического смещения ноцирецепторов.
С-волокна проводят медленные сигналы со скоростью 0,5-2 м/сек, (протопатическая боль), миелинизированные волокна –быстрые сигналы со скоростью 6 - 30 м/сек (эпикритическая боль). Кроме кожи, где насчитывается 100-200 болевых рецепторов на 1 см², слизистых и роговицы, болевыми рецепторами обоих типов обильно снабжены надкостница, а также стенки кровеносных и лимфатических сосудов, суставы, мозговые синусы и париетальные листки серозных оболочек. В висцеральных листках этих оболочек и внутренних органах болевых рецепторов гораздо меньше. К тому же, в паренхиме внутренних органов имеются, исключительно, С-волокна протопатической чувствительности, достигающие спинного мозга в составе вегетативных нервов. Поэтому висцеральную боль труднее локализовать, чем поверхностную. Кроме того, локализация висцеральной боли зависит от феномена так называемых отраженных болей. Париетальные брюшина, плевра, перикард, капсулы ретроперитонеальных органов и часть брыжейки имеют не только медленные протопатические С‑волокна, но и быстрые эпикритические Αδ, связанные со спинным мозгом спинальными нервами. Поэтому боль от их раздражения и повреждения намного острее и чётче локализована.

Такой распространённый симптом, как головная боль, практически всегда связан с раздражением болевых рецепторов вне самой ткани мозга. Экстракраниальной причиной головной боли могут быть процессы, локализованные в синусах костей головы, спазм цилиарной и других глазных мышц, тоническое напряжение мышц шеи и скальпа. Интракраниальные причины головной боли — это, в первую очередь, раздражение ноцирецепторов мозговых оболочек. При менингите сильнейшие головные боли охватывают всю голову. Весьма серьёзную головную боль вызывает раздражение ноцирецепторов в мозговых синусах и артериях, особенно в бассейне средне-мозговой артерии. Даже незначительные потери цереброспинальной жидкости (около 20 мл) могут спровоцировать головную боль, особенно, в вертикальном положении тела, поскольку плавучесть мозга меняется, и при уменьшении гидравлической подушки раздражаются болевые рецепторы его оболочек. С другой стороны, избыток цереброспинальной жидкости и нарушение ее оттока при гидроцефалии, отек головного мозга, его набухание при внутриклеточной гипергидратации, полнокровие сосудов мозговых оболочек, вызванное цитокинами при инфекциях, локальные объемные процессы — также провоцируют «самую частую жалобу» — головную боль, так как при этом увеличивается механическое воздействие на болевые рецепторы окружающих собственно мозговые структуры. Общий принцип локализации головных болей таков, что затылочные боли часто отражают раздражение ноцирецепторов сосудов и мозговых оболочек под tentorium, а надпалаточные раздражители и стимуляция верхней поверхности самой палатки проявляются лобно-теменными болями. Знакомая значительной части человечества «головная боль с похмелья» имеет комплексный патогенез, включая индуцированное алкоголем полнокровие мозговых оболочек и внутриклеточную гипергидратацию.
Паренхима селезёнки, почки, печени и легкого совершенно лишена ноцирецепторов. Зато ими богато снабжены бронхи, желчевыводящие пути, капсулы и сосуды этих органов. Даже значительные по размеру абсцессы печени или лёгкого могут быть почти безболезненными. Тогда как, плеврит или холангит, порой дают серьёзный болевой синдром. Висцеральные болевые рецепторы отличаются ещё и тем, что развивают сравнительно слабый ответ на строго локальное повреждение органа, например, хирургический разрез.
Болевые рецепторы претендуют на уникальное положение в человеческом теле. Это единственный тип чувствительных рецепторов, который не подвергается адаптации или десенсибилизации под воздействием длящегося или повторяющегося сигнала. Ноцирецепторы не повышают при этом порог своей возбудимости, как это делают другие, например, холодовые сенсоры. Следовательно, рецептор не «привыкает» к боли. Более того, в ноцирецептивных нервных окончаниях имеет место прямо противоположное явление — сенсибилизация болевых рецепторов сигналом. При воспалении, повреждениях тканей (особенно, внутренних органов) и при повторных и длительных болевых раздражителях порог возбудимости ноцирецепторов снижается. Даже легчайшие прикосновения к ожоговой поверхности крайне болезненны. Это явление называется первичной гиперальгезией. Пальпация внутренних органов, даже если она интенсивна, не причиняет боли, если нет их воспаления. Однако при воспалении чувствительность молчащих внутренних ноцирецепторов настолько увеличивается, что врач регистрирует болевые симптомы. Поколачивание по области почек, безболезненное в отсутствие их повреждений, ведет к болевому ощущению в случае, если почечные ноцирецепторы сенсибилизированы медиаторами воспаления. Легко отметить, что если бы происходила адаптация болевых рецепторов, все хронические деструктивные процессы были бы безболезненны, и боль утратила бы свою функцию сигнала, который, по выражению И. П. Павлова, «побуждает отбросить то, что угрожает жизненному процессу».
Нейрохимические механизмы раздражения ноцирецепторов хорошо изучены. Основным стимулятором их действия является брадикинин. При повреждении окружающих ноцирецептор клеток происходит высвобождение этого медиатора, простагландинов, лейкотриенов и ионов калия и водорода. Простагландины и лейкотриены сенсибилизируют ноцирецепторы к кининам, а калий и водород облегчают их деполяризацию и возникновение в них потенциала действия. Возбуждение распространяется не только афферентно, но и антидромно, в соседние ветви терминали. Этот процесс сопровождается секрецией нейропептида Р. Это паракринное вещество вызывает вокруг терминали гиперемию, отек, дегрануляцию тучных клеток и тромбоцитов. Освобождаемые при этом гистамин, серотонин, простагландины сенсибилизируют ноцирецепторы, с одновременной стимуляцией продукции брадикинина. Следовательно, при повреждении ноцирецепторы действуют и как сенсоры, и как паракринные провокаторы воспаления. Вблизи ноцирецепторов, как правило, располагаются симпатические норадренергические постганглионарные нервные окончания, которые способны модулировать чувствительность ноцирецепторов. При травмах периферических нервов нередко развивается так называемая каузалгия — патологически повышенная чувствительность ноцирецепторов в области, иннервируемой повреждённым нервом, сопровождаемая жгучими болями и даже признаками воспаления без видимых местных повреждений. Механизм каузалгии связан с гипералгизующим действием симпатических нервов, в частности, выделяемого ими норадреналина, на состояние болевых рецепторов. Возможно, при этом происходит секреция вещества Ρ и других нейропептидов симпатическими нервами, что и обусловливает воспалительные симптомы. Явление каузалгии представляет собой, в полном смысле, нейрогенное воспаление, хотя оно вызывается не нервным, а паракринным способом.

Вопросы для самоконтроля.

1. Какие формы синапсов существуют в организме млекопитающих.
2. Опишите работу химического синапса.
3. Приведите примеры деполяризующих и гиперполяризующих потенциалов
4. Перечислите вещества (молекул), способных выполнять функции нейромедиатора. Приведите примеры возбуждающих и тормозящих медиаторов.
5. Опишите схематично работу эндокринной системы человека.
6. Опишите схематично процесс передачи информационного сигнала в клетку.
7. Какие типы рецепторов информации функционируют в организме человека. Приведите примеры.
8. Опишите работу уха человека/
9. Приведите примеры ноцирецепторов и опишите их функционирование.