Волосковые клетки и механизмы трансдукции

Строение волосковых клеток. Волосковые клетки в боковой линии и ее производных, а также в вестибулярной и слуховой системах устроены поразительно однотипно (рис. [1303] ____). Считается, что волосковые клетки имеют эпителиальное происхождение. Основная особенность этих клеток – наличие "волосков", количество которых может колебаться от 10 до 300, но чаще всего составляет несколько десятков. Все волоски располагаются на апикальной стороне клетки, где находится уплотнение – кутикулярная пластинка. Волоски отчетливо разделяются на два типа – киноцилии и стереоцилии. Киноцилия может быть только одна; она представляет собой истинную неподвижную ресничку. На поперечном срезе киноцилии видна характерная для ресничек структура "9+2" (девять периферических дублетов микротрубочек, расположенных по кругу, и две микротрубочки в центре). На ранних этапах дифференциации все волосковые клетки имеют одну киноцилию, хотя зрелые волосковые клетки в кортиевом органе теряют ее – впрочем, от нее остается базальное тельце.

Все остальные "волоски" – это стереоцилии. Стереоцилии представляют собой видоизмененные микроворсинки, т.е. пучки актиновых микрофиламентов, окруженные оболочкой, однако в них также обнаруживается значительное количество миозина и кальмодулина. Длина стереоцилии у большинства животных составляет порядка 5 мкм, их толщина меньше у основания, чем у верхушки. Сама стереоцилия представляет собой достаточно жесткую конструкцию, однако она способна отклоняться в стороны как единое целое, поворачиваясь относительно своего основания – т.е. места своего прикрепления к кутикулярной пластинке. Кончики стереоцилий связаны друг с другом полипептидными нитями, которые играют важную роль в данном виде рецепции и назначение которых мы рассмотрим ниже. Из-за наличия этих нитей все стереоцилии одной клетки могут одновременно отклоняться лишь в одну и ту же сторону. При взгляде на кутикулярную пластину сверху можно увидеть, что основания стереоцилий образуют гексагональный узор. Длина стереоцилий изменяется закономерным образом: они длиннее всего около киноцилии (или около оставшегося от нее базального тельца волосковых клеток в кортиевом органе), остальные стереоцилии последовательно становятся все короче.

Двигая стереоцилии с помощью микрозонда и регистрируя при этом рецепторный потенциал волосковой клетки и импульсную активность в идущих от них нервных волокнах, можно обнаружить, что при отклонении стереоцилий к киноцилии (или к базальному тельцу) в волосковой клетки развивается деполяризация, а частота импульсации в афферентном нерве повышается (рис. [1304] ____). Наоборот, при отклонении в сторону от киноцилии возникает гиперполяризация, а частота импульсов снижается.

 

Трансдукция в волосковых клетках. Рассмотрим теперь, как именно происходит процесс механорецепции в волосковых клетках на молекулярном уровне, ограничимся при этом преимущественно рассмотрением волосковых клеток мембранного лабиринта млекопитающих, которые намного лучше исследованы. Вообще, тонкие механизмы механорецепции в волосковых клетках изучены значительно более детально, чем в тактильных рецепторах или в проприорецепторах.

Прежде всего, следует ожидать, что процесс трансдукции в волосковых клетках протекает чрезвычайно быстро: человек способен слышать звуки с частотой до 16 кГц, а некоторые виды животных, пользующиеся эхолокацией, воспринимают звуки почти до 100 кГц. Следовательно, в процессе трансдукции не могут быть задействованы вторичные посредники, а изменения рецепторного потенциала должны быть обусловлены исключительно ионными каналами. Как же в таком случае отклонение стереоцилий преобразуется в открывание или закрывание каналов?

Биофизическую модель функционирования стереоцилии, которую мы сейчас рассмотрим, предложил А.Дж.Хадспет. Выше мы уже упоминали, что концы стереоцилий связаны тонкими нитями (рис. [1305] ____). Напомним также, что стереоцилии последовательно становятся длиннее в направлении к киноцилии. Это означает, что при отклонении волосков в сторону более высоких стереоцилий (т.е. к киноцилии) нить натягивается, а при наклоне в обратную сторону натяжение нити ослабевает (рис. [1306] ____).

Имеются многочисленные экспериментальные данные, показывающие, что одним своим концом нити прикреплены непосредственно к каналам, причем натяжение нити повышает вероятность открывания канала, а снятие натяжения ведет к его закрытию. По разным оценкам, на одну стереоцилию приходится от 1 до 4 таких каналов. Система настроена несимметрично относительно нейтрального положения стереоцилий – при нем открыты лишь около 10% каналов. Отклонение в одну сторону ведет к открыванию очень большого числа каналов, т.е. число открытых каналов повышается от 10% практически до 100%; в то же время при отклонении волосков в другую сторону доля открытых каналов снижается с 10% почти до 0. Насыщение ответа наступает при отклонении на 300 нм, а на пределе чувствительности слуха млекопитающих смещение кончиков стереоцилий составляет всего около 0,3 нм. Напомним, что длина стереоцилии составляет порядка 5 мкм, т.е. 5000 нм: согласно меткому сравнению Хадспета, минимальное смещение стереоцилий можно уподобить отклонению верхушки Эйфелевой башни на один дюйм. По сути дела, чувствительность волосковых клеток ограничена только шумом, возникающим под воздействием броуновского движения. Кривая зависимости вероятности открытого состояния канал от угла отклонения стереоцилии имеет сигмовидную форму и сильно смещена от середины графика (рис.). Как мы увидим чуть ниже, этот факт играет существенную роль в работе волосковых клеток, в особенности при восприятии высокочастотных колебаний.

Все нити, связывающие стереоцилии, ориентированы примерно в одном направлении. По этой причине волосковые клетки реагируют максимальным образом только на отклонения стереоцилии вдоль одной оси (к киноцилии или от нее); перпендикулярное направление оказывается вообще не эффективным, а отклонения на промежуточный угол вызывают ответ, пропорциональный векторному компоненту отклонения в проекции на направление наибольшей эффективности (рис. [1307] ____).

Ионный ток, протекающий через механочувствительные каналы в стереоцилиях, весьма необычен – это связано, прежде всего, с уникальностью состава эндолимфы, которой омываются стереоцилии. Эндолимфа чрезвычайно богата калием и заряжена положительно относительно цитоплазмы волосковых клеток. В результате при открывании каналов в стереоцилиях внутрь волосковых клеток устремляется входящий калиевый ток, ведущий к деполяризации клетки (напомним, что, как правило, в других клетках калиевый ток, наоборот, выходящий и ведет к гиперполяризации). Важно то, что вход ионов K⁺ происходит по электрохимическому градиенту – т.е. пассивно, без затрат энергии на процесс трансдукции. Эта позволяет не только сделать процесс трансдукции очень быстрым, но и снижает энергетические затраты волосковых клеток, в результате чего они не требуют непосредственного кровоснабжения. Очевидно, капилляры с кровью в непосредственной близости от волосковых клеток нарушали бы их работу и создавали бы дополнительные шумы. Процесс затрат энергии отделен от волосковых клеток по месту и по времени: накачка ионов K⁺ в эндолимфу против градиента концентрации происходит в сосудистой полоске вдали от места расположения волосковых клеток. Далее процесс трансдукции может работать достаточно долго за счет разности концентраций калия и потенциала в двух средах.

По-видимому, канал имеет достаточно широкую пору и обладает малой селективностью, и через него могут проходить различные ионы (in vitro показано, что он пропускает даже небольшие органические ионы, например, холин). В физиологических условиях вместе с ионами K⁺ в волосковые клетки входят ионы Ca²⁺, которые, как мы увидим ниже, играют значительную роль в адаптации ответа волосковых клеток. Далее деполяризация самой волосковой клетки ведет к вхождению в нее ионов Ca²⁺ (на это раз из обычной внеклеточной среды, а не из эндолимфы) и к выбросу медиатора (предположительно глутамата) в синапсах с сенсорными нервными волокнами. Как мы уже видели, нейтральному неотклоненному состоянию стереоцилий соответствует открытое состояние некоторого небольшого числа каналов, и при этом волосковая клетка производит непрерывный выброс небольших количеств медиатора в синапсе. Соответственно, при этом состоянии наблюдается некоторый фоновый уровень импульсной активности в сенсорных (центростремительных) нервных волокнах. При отклонении стереоцилий происходит двунаправленная модуляция скорости выброса медиатора и частоты импульсного разряда в сенсорных волокнах, которая может, соответственно, и повышаться, и понижаться относительно фоновой частоты. Благодаря такой организации волосковые клетки способны кодировать одновременно два противоположных направления воздействия (напомним, что все рассмотренные выше механорецепторы – тактильные, проприорецепторы и болевые – имеют один знак реакции и кодируют только одно направление).

Здесь следует сказать, что для волосковых клеток характерно образование не только синапсов с сенсорными центростремительными нервными волокнами, но и противоположно направленных синапсов с центробежными волокнами. Предположительно, назначение центробежных волокон состоит в регуляции чувствительности волосковых клеток, однако более-менее детально этот вопрос изучен только в отношении одного типа волосковых клеток кортиева органа (см. ниже).

Вернемся теперь к тому факту, что кривая зависимости вероятности открытого состояния канала от механического отклонения имеет сигмовидную форму и смещена относительно средней точки. Поскольку потенциал клетки однозначно определяется долей открытых каналов, то зависимость электрического рецепторного потенциала от механического смещения имеет аналогичную сигмовидную форму и также смещена. В результате под воздействием симметричной синусоидальной механической стимуляции возникающие колебания внутриклеточного потенциала волосковой клетки оказываются не симметричными, а смещенными относительно нулевой линии (т.е. полуволны одной полярности оказываются больше по амплитуде, чем полуволны противоположной полярности) (рис. [1308] ____). Таким образом, в ответ на переменное колебательное воздействия достаточно высокой частоты возникают две составляющие рецепторного потенциала – не только переменная, идущая в фазе со стимуляцией, но и постоянная, длящаяся столько времени, сколько продолжаются механические колебания. Это явление, называемое выпрямлением, имеет большой смысл. Дело в том, что на больших частотах переменная составляющая колебаний рецепторного потенциала начинает теряться из-за емкостных свойств клеточной мембраны. Если бы не постоянная составляющая рецепторного потенциала, то ответ волосковых клеток на высокие частоты механического воздействия был бы просто невозможен. На рисунке хорошо видно, что при частотах выше 1 кГц остается преимущественно лишь постоянная составляющая, которая хорошо выражена и достаточна для деполяризации волосковой клетки. Это означает, что и на частоты выше 1к Гц произойдет усиление выброса медиатора в синапсах с сенсорными нервными волокнами (хотя, разумеется, при этом будет частично или полностью утеряна информация о фазе колебаний). Следует заметить, что в слуховой системе некоторых животных переменная составляющая реакции волосковых клеток сохраняется вплоть до значительно более высоких частот (почти до 10 кГц). Забегая вперед, скажем, что информация о фазе звуковых колебаний чрезвычайно важна для локализации направления на источник звука – представьте себе, например, сову, которая ночью в полной темноте способна поймать мышь, ориентируясь только на свой слух.

 

Адаптация в волосковых клетках. Как мы увидели выше, волосковые клетки способны чрезвычайно быстро реагировать на ничтожные смещения стереоцилий от нейтрального положения, при котором открыта всегда одна и та же доля от общего числа каналов. Логично было бы ожидать, что система должна обладать некоторым механизмом самонастройки, автоматически поддерживающим это нейтральное состояние – нечто вроде системы подстройки нуля измерений. Действительно, такой механизм присутствует в стереоцилиях, а его действие проявляется, в частности, в адаптации стереоцилий к постоянному отклонению (рис. [1309] ____). В отсутствии адаптации дополнительные колебания стереоцилий, наложенные на их статическое отклонение, переставали бы восприниматься.

Рассмотрим подробнее, как работает этот механизм согласно современным представлениям (следует заметить, что далеко не все в этом гипотетическом механизме подтверждено к настоящему времени с полной определенностью). Если, например, стереоцилии были отклонены в сторону киноцилии и большинство каналов было открыто, то в результате адаптации конец нити со стороны более низкой стереоцилии сползает по ней по направлению к основанию стереоцилии; в результате натяжение нити снижается, и доля открытых каналов падает. Этому соответствует сдвиг вправо всей сигмовидной кривой зависимости вероятности открытого состояния канала от степени смещения (см. рис.). При адаптации к отклонению в другую сторону происходит, наоборот, дополнительное подтягивание нити и, соответственно, увеличение доли открытых каналов.

 Предполагаемый молекулярный механизм данного явления оказывается достаточно простым и элегантным в своей основе. Дело в том, что, по всей вероятности, конец нити связан с актиновыми микрофиламентами в стереоцилии через некоторый своеобразный движитель, который, как и в мышечной ткани, функционирует за счет управляемого взаимодействия между миозином и актином (рис. [1310] ____). Однако в отличие от мышечной ткани, в данном случае движитель активируется не при высокой, а, наоборот, при низкой концентрации ионов Ca²⁺ в цитоплазме. Как уже было описано выше, когда нити между стереоцилиями натянуты, вероятность открытого состояния каналов повышается, в них вместе с ионами K⁺, входят также ионы Ca²⁺, связь миозина с актином ослабевает, и под действием механического натяжения нити ее конец сползает по стереоцилии. В результате натяжение нити уменьшается, и каналы начинают закрываться. Наоборот, если нить не натянута, то каналы закрыты, ионы Ca²⁺ при этом не входят в стереоцилию и их концентрация внутри стереоцилии очень низка. В этих условиях активируется движитель, который тянет место прикрепления нити по направлению к концу стереоцилии и тем самым увеличивает натяжение нити. Таким образом, благодаря работе данного внешне простого механизма поддерживается строго постоянное натяжение нити. Следствием работы этого механизма и является то, что при длительном отклонении стереоцилий в одну сторону быстро развивается адаптация. В пользу реальности данного механизма говорит то, что в отсутствии внеклеточного кальция или в присутствии внутриклеточных хелаторов кальция адаптация не проявляется. Показано также, что искусственное повышение внутриклеточной концентрации кальция ведет к усилению натяжения молекулярных нитей.

Необходимо сделать важное примечание: описанный механизм адаптации относится только к статическому отклонению стереоцилий (которое характерно, например, для непрерывного воздействия силы тяжести на отолиты в вестибулярной системе). Он не применим к длительному воздействую циклических колебаний (например, звуковых) – в этом случае адаптация на уровне трансдукции очень незначительна. Хотя при воздействии звука некоторая адаптация все же может наступать, в ее основе лежит совсем другой механизм: она происходит за счет изменения скорости выделения медиатора из волосковых клеток, но никак не за счет процессов в канальном механизме трансдукции.

 

Электрохимический резонанс в волосковых клетках. Если через внутриклеточный электрод подать внутрь волосковой клетки прямоугольный импульс тока, то можно наблюдать, что при этом возникают затухающие колебания мембранного потенциала клетки на некоторой определенной частоте, характеризующей данную клетку (рис. [1311] ____).

Очевидно, что прямоугольный импульс тока не является физиологически адекватным раздражителем. Физиологический смысл таких осцилляций состоит в резонансном усилении воспринимаемых извне колебаний на строго определенной частоте. Действительно, частота спонтанных колебаний в волосковых клетках кортиева органа слуховой системы в точности соответствует той характеристической частоте, на восприятие которой настроены волосковые клетки в данном участке кортиева органа. Эта частота закономерным образом изменяется при продвижении вдоль кортиева органа, каждый участок которого предназначен для восприятия своей звуковой частоты (впрочем, по-видимому, эффект электрохимического резонанса проявляется лишь до частоты порядка 500 Гц).

Ионный механизм спонтанных колебаний мембранного потенциала достаточно прост и нагляден. В нем задействованы два вида ионной проводимости – через потенциал-зависимые Ca²⁺ каналы и Ca²⁺-зависимые K⁺ каналы. При деполяризации усиливается вход ионов Ca²⁺ (через потенциал-зависимые каналы), что ведет к открыванию Ca²⁺-зависимых каналов для K⁺. Обратите внимание, что все каналы, участвующие в описываемых здесь событиях, расположены на мембране, обращенной в сторону обычной межклеточной жидкости, а не эндолимфы – поэтому калиевый ток здесь выходящий, т.е. гиперполяризующий клетку. Таким образом, деполяризация ведет к повышению внутриклеточной концентрации Ca²⁺, что через открывание калиевых каналов ведет, наоборот, к гиперполяризации. Теперь, при наступившей гиперполяризации, кальциевые каналы закрыты, концентрация кальция в цитоплазме падает, и Ca²⁺-зависимые K⁺ каналы тоже начинают закрываться. Это означает, что выходящий ток, гиперполяризующий клетку, прекращается, и начинается ее деполяризация. Нетрудно заметить, что при наличии хотя бы небольших временных задержек и инерционности в любой части такой системы со взаимными отрицательными обратными связями она перейдет в автоколебательный режим. Регулируя степень отставания каких-либо элементов системы, можно варьировать частоту осцилляций. В волосковых клетках кортиева органа разная частота резонансных осцилляций достигается вариациями кинетики калиевых каналов, в состав которых могут входить различные субъединицы в различной пропорции. Показано, что различные калиевые каналы возникают в результате разных вариантов сплайсинга продукта транскрипции в семи различных сайтах. Каждая волосковая клетка, количество которых превышает 10000, обладает уникальной популяцией калиевых каналов. Кроме того, количество обоих типов каналов (Ca²⁺ и K⁺) последовательно снижается по мере увеличения характеристической частоты, на которую настроены волосковые клетки. Видимо, кинетика каналов в сочетании с емкостными свойствами мембраны все же не позволяют реализовать осцилляции с частотой выше 500 Гц.

Заметим, что помимо электрохимического резонанса, в волосковых клетках присутствует также и чисто механический резонанс: длина стереоцилии волосковых клеток закономерным образом изменяется вдоль кортиева органа.

 

Активная сократимость волосковых клеток. По крайней мере, один из видов волосковых клеток – наружные волосковые клетки кортиева органа – способны к активным сокращениям. При деполяризации эти клетки, имеющие цилиндрическую форму, укорачиваются, а при гиперполяризации – удлиняются. Кривая зависимость длины этих клеток от потенциала имеет сигмовидную форму и смещена: средняя длина клетки достигается при -30 мВ, в то время как потенциал покоя такой клетки составляет приблизительно -70 мВ. Механизм сократимости волосковых клеток еще недостаточно изучен. Во всяком случае, это не актин-миозиновый комплекс и в его работе не задействована какая-либо определенная ионная проводимость мембраны. Видимо, в клетке присутствует некий сенсор мембранного потенциала, который и управляет степенью укорочения клетки. Смысл сократимости волосковых клеток состоит в активном электромеханическом усилении воспринимаемых звуковых колебаний в кортиевом органе.

Интересно, что в экспериментах in vitro было показано, что активная сократимость наружных волосковых клеток проявляются как минимум вплоть до частот в несколько десятков килогерц (!). Впрочем, на столь высоких частотах она уже практически лишается смысла, так как из-за емкостных свойств мембраны переменная составляющая рецепторного потенциала практически отсутствует. Вызывает лишь удивление, что данный механизм сократимости вообще способен воспроизводить столь быстрые процессы. Более подробно назначение электрохимического резонанса и активной сократимости волосковых клеток будут рассмотрены ниже в разделе, посвященном слуховой системе.

 

 

Вестибулярная система

Вестибулярная система уникальна среди других органов чувств тем, что поток сенсорной информации от нее осознается лишь в очень незначительной степени или осознается лишь косвенно через возникающие рефлекторные реакции (что во многом роднит ее с системой проприорецепции). С другой стороны, вестибулярные ощущения крайне трудно отделить от проприоцептивных и прочих, возникающих в соматосенсорной системе, – причем не только на субъективном уровне, но и в объективном эксперименте. По этой причине психофизические исследования данного чувства не столь убедительны и однозначны, как в отношении ряда других модальностей.

Вестибулярная система снабжает входными сигналами массу автоматизированных систем, управляющих поддержанием позы, движениями глаз и др. Некоторые важные аспекты строения и физиологии вестибулярной системы в связи с управлением движениями рассматриваются в разделе _____.

В целом можно сказать, что вестибулярная система предназначена для восприятия направления силы тяжести и любых ускорений – как линейных, так и угловых. Соответственно, она отвечает за чувства равновесия (при статическом поддержании позы), линейного ускорения и вращения. Для дальнейшего рассмотрения сенсорных функций вестибулярной системы нам необходимо разобраться, сколько механических степеней свободы имеет голова. Как видно из рисунка (рис. [1312] ____), их насчитывается шесть: три поступательных и три вращательных. Дальше мы увидим, что в вестибулярной системе имеются образования, рассчитанные на регистрацию воздействий по всем этим шести степеням свободы без исключения.

 

Периферические механизмы

На уровне макроструктуры в периферической части вестибулярной системы у млекопитающих выделяют два мешочка (утрикулюс и саккулюс) и три полукружных канала (рис. [1313] ____). Иннервация осуществляется волокнами вестибулярной ветви вестибулокохлеарного (преддверноулиткового) нерва (VIII пара). Псевдоуниполярные нейроны этой ветви располагаются в ганглии Скарпы, который, хотя и находится вблизи лабиринта, гомологичен спинномозговым ганглиям.

 

Волосковые клетки в вестибулярной системе. Волосковые клетки в вестибулярной системе являются классическими представителями данного типа клеток, и имеют по 60-80 стереоцилий, сгруппированных в своего рода "кисточку" с гексагональной организацией, и одну киноцилию (рис. ____). По своей морфологии волосковые клетки здесь могут быть разделены на два типа – амфороподобные клетки типа 1 и цилиндрические клетки типа 2 (рис. [1314] ____), которые также различаются по характеру синапсов с афферентными и эфферентными нервными волокнами. Функционально клетки обоих типов очень сходны, и причина их морфологических различий не ясна. Стереоцилии и киноцилии волосковых клеток входят внутрь купулы или отолита, располагающихся над ними.

Все волосковые клетки, располагающиеся по соседству друг с другом, имеют одно и то же направление ориентации в отношению своей киноцилии (рис. [1315] ____). Для крист полукружных каналов это правило распространяется на всю кристу, а в макулах утрикулюса и саккулюса организация более сложная. Во-первых, макулы изогнуты наподобие бумеранга и направление на киноцилию волосковых клеток закономерным образом изменяется вдоль макулы. Благодаря этому каждая макула способна регистрировать некоторый диапазон углов, а не одно направление. Во-вторых, волосковые клетки в макулах отчетливо разделяется на две популяции с противоположной ориентацией оптимального направления деполяризации (от стереоцилий к киноцилии); граница между этими популяциями называется стриолой. При этом в макуле утрикулюса киноцилии направлены к стриоле, а в макуле саккулюса – от стриолы.

 

Отолитовый орган. В утрикулюсе и саккулюсе млекопитающих имеются две макулы – места скопления волосковых клеток, над каждым из которых располагается свой отолит. Отолиты существенно тяжелее эндолимфы, в которую они погружены, в результате чего на них воздействуют сила тяжести (представьте себе, как камешек тонет в воде) и линейные ускорения (в силу инерции более тяжелые образования стремятся "отстать" при ускорении содержащей их менее плотной жидкости). Хотя отолиты удерживаются на месте многочисленными прочными белковыми филаментами и их физические смещения крайне незначительны, даже такого скольжения отолитов оказывается достаточно для того, чтобы воздействовать на лежащие под ними волосковые клетки и задействовать уже знакомый нам механизм трансдукции. Обратите внимание, что сила тяжести при наклоне головы и линейное ускорение головы воздействуют на макулы одинаковым образом, и по этой причине неразличимы (рис. [1316] ____) (впрочем, и другие органы чувств далеко не всегда позволяют их различить, так как их физическое воздействие на вещество тела в принципе одинаково). Линейные ускорения, возникающие обыденной жизни, несравнимо слабее, чем воздействие силы тяжести.

Когда голова находится в обычном положении (человек стоит вертикально), то макула утрикулюса располагается почти горизонтально на дне своего мешочка, и сила тяжести лишь прижимает отолит к эпителию, но не смещает его в сторону. Наоборот, макула саккулюса располагается на вертикальной стенке своего мешочка, и сила тяжести непрерывно стремится сместить ее вниз (хотя частично макула саккулюса заходит на нижнюю горизонтальную поверхность дна этого мешочка) (рис. [1317] ____).

Наибольшее воздействие на нервные волокна, идущие от макулы утрикулюса, оказывают наклоны головы в сторону и латеральные линейные ускорения (рис. [1318] ____). Направление оптимального воздействия несколько варьирует вдоль макулы, так что она позволяет регистрировать смещения в некотором диапазоне углов, т.е. не только в латеральном направлении, но отчасти и в направлении вперед-назад. Макула саккулюса организована таким образом, что также регистрирует воздействия в некотором диапазоне углов, а именно в направлениях вверх-вниз и вперед-назад. Таким образом, две макулы обеспечивают регистрацию во всех трех поступательных степенях свободы.

Следует сказать, что у многих других позвоночных макул больше, чем две. Так, у рыб и многих других групп позвоночных, кроме млекопитающих, имеется и другие макулы, в том числе макула лагены и базиллярный сосочек (рис. ____). Эти дополнительные образования начали выполнять функции органа слуха и отчасти превратились в кортиев орган, о чем будет рассказано ниже.

Поскольку, как уже было сказано выше, волосковые клетки по разные стороны от стриолы имеют противоположное направление на киноцилию, любое воздействие на макулу возбуждает часть идущих от нее сенсорных волокон и тормозит другую их часть; по этой причине в отношении отолитового органа нельзя просто сказать, что то или иное воздействие активирует или тормозит вестибулярные афференты - часть волокон всегда будет испытывать одно воздействие, а часть – противоположное. Все вестибулярные афференты имеют значительную активность покоя порядка нескольких десятков импульсов в секунду. В отличие от волосковых клеток слуховой системы, волосковые клетки в вестибулярной системе демонстрируют лишь незначительную адаптацию, и в ответ на наклоны головы возникает длительное изменение частоты разряда вестибулярных афферентов (рис. [1319] ____).

 

Полукружные каналы представляют собой замкнутые кольцевые протоки, заполненные эндолимфой и открывающиеся в полость утрикулюса (рис. [1320] ____). Хотя они и не являются идеальными окружностями, они прекрасно приспособлены для детекции угловых ускорений. Поскольку каналов три и они расположены в трех взаимноперпендикулярных плоскостях, они обеспечивают регистрацию всех трех степеней вращательных свободы (рис. [1321] ____). У так называемого горизонтального полукружного канала передний край приподнят на 30° к горизонту – он становится действительно горизонтальным в том случае, если наклонить голову вперед на этот угол. Плоскости двух вертикальных каналов также ориентированы отнюдь не параллельно анатомическим плоскостям, хотя все три канала в целом образуют достаточно правильную ортогональную систему.

На одном из концов каждого из полукружных каналов имеется расширение – ампула, внутри которой располагается криста – сенсорный эпителий с волосковыми клетками, покрытыми купулой. Купула образована мукополисахаридами и не содержит никаких минеральных включений, поэтому ее плотность в точности равна плотности эндолимфы. По этой причине в физиологических условиях на купулу не воздействуют ни силы гравитации, ни линейные ускорения. Однако при повороте головы эндолимфа в силу своей инерции несколько отстает от стенок каналов, т.е. стремится течь в направлении, противоположном направлению начинающегося вращения головы, и смещает купулу (рис. [1322] ____). Смещение купулы активирует или тормозит расположенные под ней волосковые клетки. При остановке вращения головы возникает противоположная ситуация – по инерции эндолимфа стремится течь еще в течение некоторого времени после фактического замедления головы. При длительном вращении головы скорость эндолимфы внутри каналов выравнивается с угловой скорость вращения головы, и для системы полукружных каналов длительное равномерное вращение с постоянной угловой скоростью неотличимо от состояния покоя (обратите внимание, что для отолитового аппарата эти ситуации все же различаются, поскольку вращение создает линейное центробежное ускорение).

На рисунке (рис. [1323] ____) показана регистрация от одиночного нервного волокна, иннервирующего кристу полукружного канала. Видно, что, во-первых, для нервного волокна характерна высокая частота спонтанного разряда (порядка 80 имп./с). Во-вторых, волокно отвечает реакцией одного знака на начало вращения, т.е. на угловое ускорение (в данном случае – возбуждением), и реакцией другого знака (торможением) – на замедление и остановку вращения, при которых возникает угловое ускорение противоположного знака. В-третьих, в период вращения с постоянной скоростью частота разряда нервного волокна практически такая же, как и в покое. Следует заметить, что из-за вязкости эндолимфы при кратковременном вращении головы события в полукружном канале лучше описываются в терминах угловой скорости, а не углового ускорения.

Поскольку все волосковые клетки в одной кристе ориентированы строго в одну сторону, то, в отличие от макул, воздействие на полукружный канал либо возбуждает, либо тормозит активность во всех сенсорных волокнах, иннервирующих данную кристу. Соответственно, для получения объективной информации о вращении головы центральные структуры вестибулярной системы должны производить сравнение активности в тандемных парах каналов, располагающихся на противоположных сторонах головы (рис. [1324] ____). Этот факт имеет большое значение для клиники вестибулярных нарушений, которую мы рассмотрим ниже. Горизонтальные каналы на двух сторонах головы образуют пару друг с другом, а каждый передний на одной стороне – с задним на противоположной стороне головы.

 

Центральные механизмы

Волосковые клетки периферической части вестибулярной системы иннервируются псевдоуниполярными нейронами, тела которых расположены в ганглии Скарпы. Центральные отростки этих нейронов объединяются с волокнами, идущими от улитки, и образуют вестибулокохлеарный нерв (VIII пара черепномозговых нервов). Вестибулярные афференты направляются в ипсилатеральный вестибулярный комплекс, который располагается в вентральной части продолговатого мозга под четвертым мозговым желудочком. В составе комплекса выделяют четыре крупных ядра – латеральное (Дейтерса), медиальное (Швальбе), верхнее (Бехтерева) и нижнее (или нисходящее, Роллера), а также ряд более мелких образований. Помимо собственно вестибулярных афферентов, вестибулярные ядра (в особенности латеральное) получают еще один важный вход – от проприорецепторов шеи, а также, в меньшей степени, и от проприорецепторов рук, ног и туловища. Необходимость в такой информации очевидна: она позволяет узнать положение головы относительно тела и пересчитать координаты вестибулярной стимуляции применительно к телу и конечностям.

Проекции вестибулярных ядер направляются в различные отделы мозга (в спинной мозг, в особенности к мотонейронам шейного отдела, к глазодвигательным ядрам, в мозжечок, в ретикулярную формацию, в гипоталамус и др.), и выполняют преимущественно моторные функции, которые рассматриваются подробно в разделе "Ствол". В частности, вестибулярная система обеспечивает тонические рефлексы на глаза (установка глаза в нормальное положение относительно линии горизонта), вестибулоокулярный рефлекс (компенсаторные движения глаз во время движений головы), вестибулошейный (вестибулоцервикальный) и вестибулоспинальные рефлекс (компенсаторные движения мышц шеи и конечностей соответственно) и другие реакции. Проекции на гипоталамус отчасти ответственны за вегетативные проявления укачивания ("морской болезни").

Комплексы вестибулярных ядер на двух сторонах связаны также друг с другом – это позволяет им анализировать одновременно информацию от мембранных лабиринтов с обеих сторон головы. Сравнение сигналов, приходящих с двух сторон, особенно важно для анализа импульсации от полукружных каналов, которые образуют тандемные пары с каналами на контралатеральной стороне. Действительно, клетки, получающие иннервацию от кристы полукружных каналов с ипсилатеральной стороны, имеют входы и от крист с контралатеральной стороны.