Чувство осязания необходимо практически для всего, что мы делаем, от рутинных домашних задач до навигации по незнакомой местности, которая может таить в себе опасности. Ученые уже давно заинтересованы в том, чтобы точно понять, как сенсорная информация, которую мы получаем с помощью рук и других частей тела, попадает в мозг для создания ощущений, которые мы испытываем.

Тем не менее, ключевые аспекты осязания, включая то, как спинной мозг и ствол головного мозга участвуют в приеме, обработке и передаче сигналов, остаются малоизученными.

Теперь пара работ ученых из Гарвардской медицинской школы раскрывают принципиально новое понимание того, как спинной мозг и ствол головного мозга влияют на осязание.

В частности, исследование показывает, что спинной мозг и ствол головного мозга, которые ранее считались просто центрами передачи сенсорной информации, активно участвуют в обработке сенсорных сигналов, когда они поступают в области мозга более высокого порядка.

Одно исследование, опубликованное 4 ноября в журнале Cell, показывает, что специализированные нейроны в спинном мозге образуют сложную сеть, которая обрабатывает легкие прикосновения — например, прикосновение кисти или чмоканье в щеку — и отправляет эту информацию в ствол мозга.

В другом исследовании, опубликованном 23 ноября в журнале Nature, исследователи установили, что прямые и непрямые сенсорные пути работают вместе, сходясь в стволе мозга, чтобы сформировать способ обработки прикосновений.

"Эти исследования фокусируют внимание на спинном мозге и стволе головного мозга как местах, где сенсорная информация интегрируется и обрабатывается для передачи различных типов прикосновений. Раньше мы не до конца понимали, как эти области влияют на представление мозгом вибрации, давления и других особенностей тактильных стимулов", - сказал Дэвид Гинти, профессор нейробиологии Эдварда Р. и Энн Г. Лефлер в Институте Блаватник в HMS и старший автор обеих статей.

Хотя исследования проводились на мышах, механизмы осязания в значительной степени сохраняются у разных видов, включая людей, что означает, что основы обработки прикосновений могут быть полезны ученым, изучающим состояния человека, такие как невропатическая боль, характеризующаяся дисфункцией прикосновения.

"Это детальное понимание тактильных ощущений, то есть ощущения мира через контакт с кожей, может иметь глубокие последствия для понимания того, как болезни, расстройства и травмы могут повлиять на нашу способность взаимодействовать с окружающей средой", ― сказал Джеймс Гнадт, программный директор Национального института неврологических расстройств и Инсульт (NINDS).

Упущенный из виду и недооцененный

Историческое представление о прикосновении заключается в том, что сенсорные нейроны в коже воспринимают сенсорный стимул, такой как давление или вибрация, и посылают эту информацию в виде электрических импульсов, которые передаются непосредственно от кожи к стволу мозга. Там другие нейроны передают информацию о прикосновении в первичную соматосенсорную кору головного мозга — самый высокий уровень иерархии прикосновений, — где она преобразуется в ощущение.

Однако Гинти и его команда задались вопросом, участвуют ли спинной мозг и ствол головного мозга в обработке сенсорной информации и каким образом. Эти области занимают самый низкий уровень иерархии прикосновений и объединяются, образуя более непрямой сенсорный путь в мозг.

"Люди в этой области думали, что разнообразие и богатство осязания происходит только от сенсорных нейронов в коже, но это мышление обходит спинной мозг и ствол головного мозга", - сказал Йозеф Туречек, постдокторант лаборатории Гинти и первый автор статьи в Nature.

Многие нейробиологи не знакомы с нейронами спинного мозга, называемыми нейронами постсинаптической дорсальной колонны (PSDC), которые выступают из спинного мозга в ствол головного мозга — и учебники, как правило, не включают нейроны PSDC в диаграммы, изображающие детали прикосновения, объяснил Туречек.

По мнению Джинти, то, как при прикосновении не учитывались спинной мозг и ствол головного мозга, наводит на мысль о ранних исследованиях зрительной системы. Первоначально ученые, изучающие зрение, думали, что вся обработка происходит в зрительной коре головного мозга. Однако оказалось, что сетчатка, которая получает визуальную информацию задолго до того, как она достигает коры головного мозга, активно участвует в обработке этой информации.

"Аналогично исследованиям зрительной системы, в этих двух статьях рассматривается, как сенсорная информация, поступающая от кожи, обрабатывается в спинном мозге и стволе головного мозга, прежде чем она перемещается вверх по иерархии прикосновений в более сложные области мозга", - сказал Гинти.

Соединяя точки

В статье Cell исследователи использовали разработанную ими технику для одновременной записи активности множества различных нейронов в спинном мозге, когда мыши испытывали различные типы прикосновений. Они обнаружили, что более 90 процентов нейронов в дорсальном роге — области сенсорной обработки спинного мозга — реагировали на легкое прикосновение.

"Это было удивительно, потому что классически считалось, что нейроны дорсального рога в поверхностных слоях спинного мозга реагируют в основном на температурные и болевые раздражители. Мы не оценили, как информация о легком прикосновении распределяется в спинном мозге", - сказала Анда Кирила, научный сотрудник лаборатории Ginty и соавтор статьи с аспиранткой Дженел Рэнкин.

Более того, эти реакции на легкое прикосновение значительно различались в генетически различных популяциях нейронов в спинном роге, которые, как было обнаружено, образуют сильно взаимосвязанную и сложную нейронную сеть. Это различие в реакциях, в свою очередь, привело к разнообразию сенсорной информации, передаваемой от дорсального рога к стволу мозга нейронами PSDC. Фактически, когда исследователи заставили замолчать различные нейроны дорсального рога, они увидели уменьшение разнообразия информации о легком прикосновении, передаваемой нейронами PSDC.

"Мы считаем, что эта информация о том, как прикосновение кодируется в спинном мозге, который является первым участком в иерархии прикосновений, важна для понимания фундаментальных аспектов обработки прикосновений", - сказала Кирила.

В своем другом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые сосредоточились на следующем шаге в иерархии прикосновений: стволе мозга. Они исследовали взаимосвязь между прямым путем от сенсорных нейронов в коже к стволу головного мозга и косвенным путем, который посылает сенсорную информацию через спинной мозг, как описано в статье Cell.

"Нейроны ствола мозга получают как прямую, так и косвенную информацию, и нам было действительно любопытно, какие аспекты осязания каждый путь привносит в ствол мозга", - сказал Туречек.

Чтобы проанализировать этот вопрос, исследователи поочередно отключали каждый путь и записывали реакцию нейронов в стволах мозга мыши. Эксперименты показали, что прямой путь важен для передачи высокочастотной вибрации, в то время как косвенный путь необходим для кодирования интенсивности давления на кожу.

"Идея заключается в том, что эти два пути сходятся в стволе мозга с нейронами, которые могут кодировать как вибрацию, так и интенсивность, поэтому вы можете формировать реакции этих нейронов в зависимости от того, сколько у вас прямого и косвенного ввода", - объяснил Туречек. Другими словами, если нейроны ствола мозга получают больше прямых, чем косвенных сигналов, они передают больше вибрации, чем интенсивности, и наоборот.

Кроме того, команда обнаружила, что оба пути могут передавать информацию о прикосновении с одного и того же небольшого участка кожи, причем информация об интенсивности проходит через спинной мозг, прежде чем присоединиться к информации о вибрации, которая поступает непосредственно в ствол головного мозга. Таким образом, прямые и непрямые пути работают вместе, позволяя стволу мозга формировать пространственное представление различных типов сенсорных стимулов из одной и той же области.

Наконец-то на карте

До сих пор "большинство людей рассматривали ствол мозга как ретрансляционную станцию для осязания, и у них даже спинного мозга на карте вообще не было", - сказала Джинти. По его мнению, новые исследования "демонстрируют, что в спинном мозге и стволе головного мозга происходит обработка огромного объема информации — и эта обработка имеет решающее значение для того, как мозг представляет тактильный мир".

Такая обработка, добавил он, вероятно, способствует сложности и разнообразию сенсорной информации, которую ствол мозга посылает в соматосенсорную кору.

Затем Джинти и ее команда планируют повторить эксперименты на мышах, которые бодрствуют и ведут себя нормально, чтобы проверить полученные результаты в более естественных условиях. Они также хотят расширить эксперименты, включив в них больше типов реальных сенсорных стимулов, таких как текстура и движение.

Исследователей также интересует, как информация из мозга — например, об уровне стресса, голода или истощения животного — влияет на то, как сенсорная информация обрабатывается в спинном мозге и стволе головного мозга. Учитывая, что механизмы прикосновения, по-видимому, сохраняются у разных видов, такая информация может быть особенно актуальна для состояний человека, таких как расстройства аутистического спектра или невропатическая боль, при которых нервная дисфункция вызывает гиперчувствительность к легким прикосновениям.

"С помощью этих исследований мы заложили фундаментальные строительные блоки для того, как работают эти схемы и в чем их важность", - сказал Рэнкин. "Теперь у нас есть инструменты для анализа этих цепей, чтобы понять, как они нормально функционируют и что меняется, когда что-то идет не так".