Пребывание человеческого организма во внешней среде нуждается в беспрерывном анализе окружающего воздействия им же самим. Полученная информация передается в нервные центры. Благодаря анализаторам, которые служат своеобразными биологическими аппаратами, головной мозг постоянно осведомлен о состоянии внутренних органов. Физиология сенсорной системы базируется на ряде принципов, которые обеспечивают восприятие сигналов физической и химической энергии соответствующими рецепторами, с последующей ее трансформацией в нервные импульсы и передачей в мозг через нейронные цепи.
Организация сенсорного восприятия у человека
Предметом физиологии сенсорных систем является изучение взаимосвязи трех основных отделов, которые встречаются в любой нейронно-рецепторной структуре:
- Периферического – состоит из нервных окончаний, которые воспринимают воздействие, и органов, способствующих выполнению рецепторами своих функций. К этой группе относят глаза, уши, кожные покровы и т. д.
- Проводникового – представляет собой комплекс проводящих путей и подкорковых нервных центров.
- Коркового — это области больших полушарий, которым адресованы поступающие импульсы.
- первого, расположенного вне центральной нервной системы (в узлах спинного мозга и черепно-мозговых нервов, в том числе спиральном улиточном и вестибулярном);
- второго, присутствующего в спинном, продолговатом или среднем мозге;
- третьего, относящегося к промежуточному мозгу (ядру таламуса);
- четвертого, представляющего собой корковую клетку больших полушарий.
Роль раздражителей и рецепторов
Говоря о физиологии сенсорных систем и ВНД (высшей нервной деятельности) человека, нельзя обойти вниманием вопрос их предназначения, ответ на который кроется в описании основных функций:
- Получение и обработка информации о внешней среде пребывания организма и состоянии внутренних органов.
- Поддержание обратной связи с нервными центрами посредством информирования о результатах деятельности.
- Обеспечение работоспособности головного мозга.
Способность различать и анализировать внешние и внутренние раздражители является главным преимуществом рецепторных анализаторов. Физиология сенсорной системы подразумевает возможность уточнения и оттачивания навыков. Например, чтобы усовершенствовать технику выполняемых движений или каких-либо спортивных упражнений, ЦНС должна постоянно получать информацию о продолжительности и интенсивности мышечных сокращений, скорости, пунктах перемещения тела, смене темпа и т. д.
В конце концов, за счет физиологии сенсорных систем осуществляется весомый вклад в регуляцию работоспособного состояния организма. Импульсы, идущие от различных рецепторов в кору больших полушарий по нервным путям, необходимы для поддержания ее нормальной функциональности. В рамках экспериментов, проводимых на животных, ученые смогли доказать, что в случае вынужденного отключения органов чувств происходит внезапное снижение тонуса коры головного мозга, она переходит в «спящий режим». Подопытное существо просыпалось исключительно для кормления и при позывах к опорожнению мочевого пузыря или кишечника.
Адаптация сенсорных систем организма
В своих лекциях о физиологии сенсорных систем российский ученый И. П. Павлов уделяет особое внимание свойствам рецепторов. По его мнению, главным из них является избирательная чувствительность к внешним и внутренним раздражителям. При этом большинство анализаторов настроено на восприятие только одной модальности возбудителей – световой, звуковой, вкусовой, болевой или др. Степень восприимчивости рецепторов будет намного выше к специфическим и непривычным раздражителям.
Еще одно свойство рецепторов заключается в установлении низких порогов чувствительности адекватных внешних воздействий. Например, физиология зрительной сенсорной системы определяет степень возбуждения фоторецепторов, которая зависит в первую очередь от воздействия световой энергии. Запуск работы анализаторов происходит также при влиянии неадекватных раздражителей (к примеру, отражению света от механического или электрического воздействия). В этих случаях пороги возбуждения оказываются на порядок выше.
Поскольку любой живой организм в рамках собственной физиологии обладает способностью адаптироваться, т. е. приспосабливаться к некомфортным и непривычным условиям, процессы привыкания затрагивают не только функции рецепторов, но и все отделы сенсорной системы. Привыкнуть к различным периферическим элементам удается за счет переменчивости порогов возбуждения анализаторов. Как только они повышаются, снижается рецепторная чувствительность, происходит адаптация к продолжительным монотонным воздействиям. Для примера представьте тикающую стрелку часов. По прибытии в комнату человек сразу обращает внимание на посторонний звук, который ему, мягко говоря, не по душе, но по истечении некоторого времени он уже не будет замечать беспрерывно действующего раздражителя.
При рассмотрении вопросов физиологии сенсорных систем человека не обходят стороной и скорость адаптации к длительным раздражениям рецепторов. Привыкнуть к действию раздражителя нервные окончания могут быстро (такие рецепторы называют фазными) и медленно. Те рецепторы, что не сразу приспосабливаются к возбудителю, именуют тоническими. Первые реагируют на раздражитель лишь в начале и окончании его действия, уведомляя об этом ЦНС двумя-тремя импульсами. Тонические рецепторы посылают к мозговой коре стабильные неослабевающие сигналы.
Согласно учению И. П. Павлова о физиологии сенсорной системы, адаптация может сопровождаться повышением и понижением порога рецепторной возбудимости. Например, переходя из хорошо освещенной комнаты в полумрак, человек постепенно приспосабливается к необходимости различать предметы в темноте. Возбудимость рецепторов при этом высока. Однако если человек вернется в светлое помещение, при переходе он почувствует резкий дискомфорт и эффект кратковременного ослепления. В таких условиях фоторецепторная возбудимость моментально снижается, а сенсорная система адаптируется к внешней среде.
Как уже было отмечено, внешняя информация передается от нервных окончаний в высшие отделы мозга по специфическим и неспецифическим путям. К ним относят проводники зрительной, слуховой, двигательной и остальных сенсорных систем. Физиология каждой из них предполагает участие в неспецифическом отделе мозга, не имеющего прямой связи с периферическими рецепторами.
Особенности зрительной сенсорики
Данная система восприятия и анализа световых раздражителей призвана передавать большую часть информации о внешней среде. Благодаря ей мы воспринимаем световые лучи исключительно в доступной части спектра.
Строение и физиология зрительной сенсорной системы предопределена вышеописанными принципами организации, поэтому состоит она из периферического (органы зрения), проводникового (зрительные нервы) и коркового (четыре группы нейронов) отделов.
Глазное яблоко – это шаровидная камера, радиус которой достигает 12,5 мм. Внутри нее содержатся элементы, проводящие свет — роговица, влага передней камеры, хрусталик и стекловидное тело. Последнее представляет собой гелеобразную жидкость, назначение которой заключается в преломлении световых лучей и фокусировании их по направлению к сетчатке и расположенных на ней рецепторов.
Глазное яблоко окружено тремя оболочками, каждая из которых играет свою роль в сенсорном восприятии:
- Наружная. Это непрозрачная оболочка (склера), переходящая в роговицу.
- Средняя. Располагается в передней части глазного яблока и участвует в образовании ресничного тела и радужной оболочки, предопределяющей цвет глаз. В середине радужки есть зрачок – отверстие, которое регулирует количество пропускаемых лучей света путем собственного сужения или расширения.
- Внутренняя. Речь идет о сетчатке, которая содержит фоторецепторы глаза. Благодаря этой оболочке световая энергия преобразуется в нервное возбуждение. Четкое изображение на ней обеспечивается светопреломляющими средами глаза (роговицей и хрусталиком).
Преломление лучей, поступающих под прямым углом к сетчатке через центр главной оптической оси, т. е. середину светопреломляющих тел, невозможно. Остальные лучи, поступающие не перпендикулярно, сходятся внутри глазной камеры в единой точке – фокусе. Способность глаза видеть предметы различной удаленности офтальмологи называют аккомодацией. С возрастом зрительная ближняя точка отодвигается, так как ухудшается аккомодация и эластичность хрусталика. Если в 7 лет человек ясно видит на расстоянии 7 см, то в преклонном возрасте это становится невозможным. Ближняя точка становится все дальше, развивается старческая дальнозоркость.
Как устроен наш слух
Для восприятия колебаний звука, поступающих из внешней среды, человек наделен слуховой сенсорной системой. Физиология слуховых анализаторов имеет важное значение для поддержания связи и речевого общения в социуме. Кроме того, сенсорная система слуха имеет значение для оценки темпа и ритма движения.
Периферический отдел представлен наружным, средним и внутренним ухом. Это сложный орган, передающий информацию извне в проводниковую область. Первый нейрон, который получает возбуждение от рецепторов внутреннего уха, находится в спиральном улиточном узле, после чего информация проходит по его волокнам ко второму нейрону в продолговатый мозг. Следующий нейрон принимает часть импульсов в задней зоне среднего мозга, а остальные поступают к ядрам промежуточного внутреннего коленчатого тела. В корковом отделе, в частности, в области проекционного слухового поля, где находится четвертый нейрон, происходит сложный процесс обработки поступившей звуковой информации.
Рассматривая физиологию сенсорной системы слуха, следует обратить внимание на сам процесс восприятия звука. Информация поступает в ушную раковину, после чего звуки разделяются по частоте и месту их максимального воздействия на мембрану. Следующий этап – преобразование рецепторами механических колебаний с дальнейшим возбуждением нейронов.
В процессе изучения физиологии высшей нервной деятельности и сенсорной системы слуха, в частности, больше внимания уделяется изменениям, спровоцированным смещению мембраны из-за колебаний. Определяющая роль здесь принадлежит высоте звука. Максимальное смещение мембраны наблюдается у человека, слух которого сосредоточен на принятие высоких частот – они дают наибольший эффект, в то время как низкие частоты доходят лишь до вершины улитки. При различных звуковых частотах происходит возбуждение волосковых клеток и различных нервных волокон. На фоне возрастания силы звучания возрастает и интенсивность мембранных колебаний.
Органы чувства равновесия и положения тела в пространстве
В общей физиологии сенсорных систем имеется раздел, посвященный изучению функций и взаимосвязи вестибулярного аппарата с корой мозговых полушарий. Ознакомившись с ним, можно получить детальное представление о том, как внешние и внутренние импульсы помогают организму поддерживать равновесие тела. Полноценно функционирующая вестибулярная сенсорика дает возможность человеку регулировать и сохранять определенное положение тела, организовывать движения в пространстве. Ее периферический отдел находится во внутреннем ухе, а полости и каналы в височной области формируют костный лабиринт, частично заполненный перепончатыми образованиями. По сути, это и есть то, что называют вестибулярным аппаратом. Между костными и перепончатыми отделами находится жидкая перилимфа.
Вестибулярная сенсорная система взаимосвязана с центрами спинного и головного мозга, которые отвечают за ряд соматических и вегетативных рефлексов (изменение тонуса мышц, движения глаз, нистагм). Кроме анализаторной функции, необходимой для управления позой и движениями, вестибулярная система оказывает влияние на работу зрительных органов. Кстати, она не всегда положительно воздействует на отдельные функции организма, возникающие в результате иррадиирущего возбуждения на доступные нервные центры. Раздражение вестибулярного аппарата приводит к сокращению возбудимости зрительной и кожной сенсорики, что в итоге провоцирует снижение контроля над точностью движений. Нарушения координации и походки, сбой сердечного ритма, резкие перепады артериального давления, тошнота и рвота – это далеко не весь перечень побочных реакций, к которым могут привести вестибулярные раздражения.
Другие сенсорные системы
В кожных покровах и внутренних органах также присутствуют рецепторы, возбуждающиеся при воздействии раздражителей. Согласно физиологии ВНД и сенсорных систем, к ним относят следующие виды рецепции:
- кожная;
- висцероцептивная;
- обонятельная;
- вкусовая.
Нервные окончания в кожных покровах
Эпидермис человека представлен тактильной, болевой и температурной рецепцией. Так, на 1 кв. см кожных тканей приходится порядка 100 болевых точек, около 15 тех, что реагируют на понижение или повышение температуры, и 25 тактильных. Каждые из них имеют свои особенности.
Так, физиология болевой сенсорной системы, по мнению большинства специалистов, является примитивной в сравнении с тактильной. Как таковые рецепторы боли отсутствуют – любые механические раздражения воспринимаются ближайшими нервными окончаниями. Рецептивная реакция возникает также при температурном воздействии.
Благодаря тактильной сенсорике человек способен анализировать степень давления на кожу и чувствовать прикосновения. Помимо свободных нервных окончаний, на внешнее раздражение отвечают тельца Паччини и Мейснера – это сложные образования, нервные окончания которых содержатся в своеобразной капсуле. Тактильные рецепторы присутствуют в кожных сосудах, верхних и нижних эпидермальных слоях, а также в волосяных фолликулах. Особенно много их на пальцах, ладонях, губах и подошвах.
Температурная сенсорная система представлена в кожных покровах холодовыми и тепловыми рецепторами. Если эпидермис остывает до +31 °С, тепловые нервные окончания теряют активность, а холодовые – наоборот, включаются в работу. Они полностью прекращают реагировать на любые раздражители при снижении температуры кожи до +12 °С.
Чувствительность внутренних органов
Висцеральная сенсорная система – это комплекс рецепторов, имеющихся во внутренних органах. К ним относят сосудистые барорецепторы, хеморецепторы, терморецепторы. Благодаря висцеральным нервным окончаниям ЦНС быстро информируется о любых переменах, происходящих в организме. Сигналы поступают в промежуточный мозг и другие области коры полушарий. Деятельность висцеральной сенсорной системы никак не ощущается при нормальном функционировании органов и систем, но дает о себе знать при сильных раздражениях, развитии заболеваний.
Физиология обонятельной и вкусовой рецепции
Процессы передачи информации о запахе и вкусе относят к наиболее изученным в сфере физиологии сенсорных систем. Обонятельные и вкусовые окончания предназначены для анализа и восприятия раздражителей химической природы. Хеморецепторы, которые представляют собой волосковые биполярные клетки, находятся в верхнем эпителии носовых ходов и отвечают за восприятие человеком запахов из внешней среды. Именно они передают информацию к клеткам обонятельной луковицы головного мозга. При этом хеморецепторы по-разному реагируют на молекулы ароматических веществ.
Во многом с обонятельной схожа и вкусовая сенсорная система. Физиология ее имеет некоторые отличия. Например, хеморецепторы располагаются не на слизистой оболочке носовых ходов, а в эпителии языка, мягкого неба и задней стенке гортани. С возрастом количество вкусовых рецепторов сокращается. У детей микроворсинок, реагирующих на поступающие вещества, в несколько раз больше, чем у взрослых.
Интересно, что рецепторы разных частей языка воспринимают только четыре вкуса: горький, кислый, сладкий и соленый. На фоне беременности или некоторых заболеваний вкусовые ощущения могут изменяться. Информация, поступающая в мозг от этой сенсорной системы, крайне важна для организации пищевого поведения и оптимальной работы желудочно-кишечного тракта.
