Мало кто задумывался, но за ощущение приятной сытости после обильного застолья или за чувство «сосания под ложечкой» в ожидании чего-либо волнительного, будь то выступление перед аудиторией или визит к врачу, отвечает целый каскад коммуникаций между клетками организма и нервной системой.
Оказывается, в стволе мозга есть целая топографическая карта разных нейронных «представительств» внутренних органов, а также система торможения, помогающая органам «быть услышанными». Подробности устройства этой карты раскрыли исследователи из Гарвардской медицинской школы, рассказав об этом на страницах журнала Nature.
Внутренние ощущения имеют решающую роль для выживания. Чувство тошноты и отвращения избавляет нас от употребления неподходящей пищи, которая может причинить вред, а кашель, исходящий из недр легких в ответ на дым от костра, помогает оставить систему дыхания в порядке и изменить положения тела так, чтобы этим дымом не дышать. Но долгое время исследователи разбирались с более насущными и важными открытиями, касающимися нашего мозга, не уделяя особого внимания тонкостям органно-мозговых взаимодействий.
Например, к 1950 году исследования, касающиеся осязания, привели ученых к разработке кортикального гомункулюса для соматосенсорной системы – карты, на которой изображены мультяшные части тела, накинутые на поверхность мозга так, что каждая часть соответствовала месту обработки информации в том масштабе, который измерялся по количеству рецепторов чувствительности в этой части тела. В 1981 году гарвардские профессора Дэвид Хьюбел и Торстен Визел получили Нобелевскую премию за свои исследования в области зрения, в ходе которых они методично составили карту зрительной коры головного мозга, регистрируя электрическую активность отдельных нейронов, реагирующих на визуальные стимулы. В 2004 году другая пара ученых получила Нобелевскую премию за свои исследования обонятельной системы, в ходе которых они идентифицировали сотни обонятельных рецепторов и точно показали, как в носу и мозге расположены источники запаха.
Идею трофической или висцеральной нервной системы, управляющей всей совокупностью нашего внутреннего мира, успешно занимался еще наш знаменитый соотечественник Иван Павлов в начале 1900х годов, «обучая» слюнные железы, селезенку, легкие и прочие органы реагировать на нужные раздражители посредством условных рефлексов. Тем не менее где именно в мозге происходят реакции, касающиеся внутренностей, и как устроена эта система, оставалось неизвестным.
Пробел восполнили исследователи из Гарварда, вооружившись высокоразрешающей двух-фотонной микроскопией с кальциевой визуализацией и несколькими десятками модельных мышей.
Основная сложность исследования заключалась в разнообразии «средств связи». Внутренние органы могут «связываться» с мозгом самыми разными путями: с помощью механорецепторов, гормонов, питательных веществ, токсинов, температурных реакций и многого другого — каждый из этих путей может, в свою очередь, воздействовать на несколько органов и приводить к многочисленным физиологическим реакциям. Механическое растяжение, например, сигнализирует о необходимости мочеиспускания, когда оно происходит в мочевом пузыре, но придает ощущение насыщения, когда оно происходит в желудке, а также вызывает рефлекс остановки вдоха в легких.
Ученые сосредоточились на области ствола мозга, которая называется ядром солитарного тракта или NTS. Это ядро (или скопление нейронов) получает сенсорную информацию от внутренних органов через блуждающий нерв. Оно передает эту информацию в области мозга более высокого порядка, которые регулируют физиологические реакции и формируют поведение. То есть по сути NTS играет роль внутренних сенсорных ворот для мозга.
Двух-фотонная кальциевая визуализация позволяет измерять уровень кальция в отдельных нейронах головного мозга, таким образом демонстрируя их активность (потому что внутриклеточный кальций высвобождается, кода в нейроне запускается электрический сигнал). В рамках экспериментов мышам по-разному стимулировали внутренние органы, а микроскоп одновременно записывал ответы тысяч нейронов в NTS в течение некоторого времени.
Команда авторов обнаружила, что стимулы в разных внутренних органах – например, в желудке по сравнению с гортанью – обычно активировали разные кластеры нейронов в NTS. Напротив, обнаружилось несколько случаев, когда механические и химические раздражители в одном и том же органе, которые часто вызывают одну и ту же физиологическую реакцию (например, кашель или насыщение), активировали перекрывающиеся нейроны в стволе мозга. Эти результаты свидетельствуют о том, что определенные группы нейронов могут быть предназначены для представления определенных органов.
Более того, исследователи выяснили, что реагирующие нейроны в NTS организованы в виде пространственной карты, которую они назвали «висцеральным гомункулусом» — по аналогии с сенсорным и моторным гомункулюсами.
Также авторы установили, что передача сигналов от внутренних органов к стволу мозга требует торможения некоторых нейронов. Когда они использовали лекарства для блокировки «тормозов», нейроны в стволе мозга начинали реагировать на несколько органов, теряя свою избирательность.
Исследователи считают, что эта работа закладывает основу для «систематического изучения кодирования внутренних чувств по всему мозгу». Но полученные результаты поднимают и много новых вопросов.
Одна из областей для будущих исследований — то, как система настраивается во время эмбрионального развития. И одного взгляда на тип нейронов тут недостаточно. Исследователи должны также учитывать, где именно нейроны расположены в мозге. Также исследователи интересуются тем, насколько обобщаемы полученные результаты для других животных, в том числе для людей. Если висцеральный гомункулюс найдется и в нас, то в конечном итоге это может послужить основой для разработки более эффективных методов лечения заболеваний, возникающих при сбоях внутренней сенсорной системы.
Текст: Анна Хоружая