- Периферический (рецепторный). Это рецепторы, которые находятся в коже. Они воспринимают сигнал и передают его по отросткам нервных клеток.
- Проводниковый — нервы, по которым передается сигнал. В случае с кожным анализатором на лице это в основном ветви тройничного нерва, а на туловище, руках и ногах — спинномозговые нервы.
- Центральный — нервные клетки головного мозга. В коре больших полушарий находится высший нервный центр осязания — благодаря ему человек осознаёт ощущения с кожи. Осязательный центр находится в теменной зоне коры (рис. 1, 2) [1, 2].
Рисунок 2. Расположение осязательного центра и центров других анализаторов в коре головного мозга [6].
Какие рецепторы есть в коже?
Рецепторы разбросаны по всей поверхности кожи человека и находятся во всех ее слоях. Но распределены они неравномерно. Больше всего их вокруг корней волос, на участках с повышенной чувствительностью, таких как лицо, ладони, подошвы стоп, половые органы [7]. Всего, по некоторым данным, к коже подходит около 230 тысяч чувствительных нервных волокон [8]. Рецепторов же еще больше, их число составляет десятки и сотни на каждый квадратный сантиметр.В зависимости от того, на какие раздражители реагируют сенсорные рецепторы кожи, выделяют четыре их разновидности:
- механорецепторы — на механические воздействия, например, давление;
- проприорецепторы (их зачастую рассматривают как разновидность механорецепторов) — на изменение положения тела и его частей по отношению друг к другу;
- терморецепторы — на изменение температуры;
- ноцицепторы — ответственны за болевые ощущения [9, 10, 11].
Механорецепторы
Механорецепторы передают в нервную систему информацию о прикосновениях, давлении, вибрации, натяжении кожи. По типу строения их обычно делят на шесть основных разновидностей (рис. 3):- Инкапсулированные. К ним относятся четыре разновидности: тельца Мейснера, тельца Пачини, диски Меркеля и тельца Руффини. Их называют низкопороговыми или высокочувствительными, потому что они реагируют даже на слабые механические раздражения и быстро передают тактильную информацию в центральную нервную систему.
- Низкопороговые рецепторы реагируют на достаточно сильные стимулы.
- Рецепторы, расположенные вокруг волосяных фолликулов [12, 13, 14, 15].
Тельца Мейснера (тельца Вагнера-Мейснера)
Тельца Мейснера представляют собой механорецепторы в форме эллипсов, расположенные в сосочках дермы на глубине 150 микрометров. Короткий диаметр такого эллипса составляет от 20 до 40 мкм, длинный — от 80 до 150 мкм, ориентирован он перпендикулярно поверхности кожи. На каждые 2−3 сосочка дермы при исследовании под микроскопом можно обнаружить по крайней мере одно тельце Мейснера. Эти рецепторы — самые распространенные в коже, лишенной волос, например, на ладонях и ступнях. Нервы, которые от них отходят, обеспечивают до 40% чувствительной иннервации кожи руки [17, 18].
Ламеллярные клетки внутри тельца Мейснера как бы уложены в стопки, а между ними находится так называемый межламеллярный матрикс из коллагена и белковых нитей-микрофиламентов. Капсула прикреплена к базальной мембране эпидермиса коллагеновыми волокнами — на верхушке они выходят прямо из межламеллярного матрикса.
В капсулу обычно входит только один аксон (длинный отросток нервной клетки), но известны случаи, когда от телец идут еще 2−7 ответвлений к другим нервным клеткам. Внутри капсулы нервное волокно теряет свою миелиновую оболочку, извивается, и на нем в некоторых местах образуются расширения. Причем аксон одного и того же нейрона может иннервировать сразу несколько телец Мейснера.
Лучше всего тельца Мейснера реагируют на колебания низкой частоты — от 10 до 50 Гц, и этим обусловлены их основные функции. Эти механорецепторы возбуждаются от следующих типов воздействий:
- Давление. Тельце Мейснера способно реагировать, когда кожа продавливается менее чем на 10 микрометров.
- Скольжение по поверхности, особенно текстурированной. Например, за счет этого мозг человека очень тонко контролирует захват предметов руками, даже очень мелких.
- Есть предположение, что тельца Мейснера участвуют в болевой чувствительности, так как в их аксонах вырабатывается субстанция P и некоторые другие пептиды, которые обычно присутствуют в ноцицепторах. Но эта функция до конца не изучена. Чтобы в ней разобраться, нужны новые научные исследования [21].
Как работают тельца Мейснера?
Когда кожа соприкасается с какой-либо поверхностью, механическая нагрузка через коллагеновые волокна передается на капсулу рецептора. В итоге капсула деформируется, конец аксона внутри изгибается и возбуждается. Когда же механическая нагрузка прекращается, капсула возвращается в исходную форму, и нерв снова подает сигнал в центральную нервную систему [22].
Этот тип рецепторов в основном обнаруживается на кончиках пальцев, ладонях, подошвах, губах, языке, небе, в области половых органов. Например, в одном исследовании авторы обнаружили 12 телец Мейснера в каждом квадратном миллиметре кожи кончика мизинца и 5 телец — в каждом квадратном миллиметре кожи у основания большого пальца руки [23].
Тельца Пачини
Тельца Пачини — довольно крупные рецепторы кожи. По форме каждый из них напоминает яйцо, а внутри устроен по типу луковицы — нервное окончание окружено несколькими слоями плоских клеток (рис. 5). Диаметр этих яиц-луковиц может составлять до 0,5−3 мм [24]. Находятся они в глубоких слоях дермы и гиподерме, а также в оболочках внутренних органов из соединительной ткани и брыжейках — структурах, на которых подвешены внутренние органы [25, 26].
Внутри рецептора находится окончание аксона нервной клетки. Первым слоем вокруг него расположены ламеллярные шванноподобные клетки, как и в тельцах Мейснера. Между этими клетками находится матрикс, имеющий сложное на биохимическом уровне строение. Всё вместе это называется внутренним ядром. Наружное ядро состоит из плоских фибробластоподобных клеток. Снаружи находится капсула, в которой присутствуют макрофаги и кровеносные сосуды. Наружное ядро отделяет от внутреннего промежуточный слой из эндоневральных фибробластов. Сама капсула происходит из периневрия — соединительнотканной оболочки нервных волокон.
Как и в случае с тельцами Мейснера, капсула телец Пачини служит своего рода фильтром, регулирующим частоту колебаний, на которую реагирует нервное окончание. Эта частота составляет от 20 до 1500 Гц, максимальная чувствительность отмечается при 250−350 Гц. Тельца Пачини возбуждаются быстрее, чем тельца Мейснера, и они играют важную роль в восприятии скольжения кожи по текстурированной поверхности. Когда во время экспериментов у испытуемых стимулировали чувствительные нервы, отходящие от телец Пачини, то у них возникало ощущение вибрации и щекотания. Эти рецепторы составляют 10−15% от всех чувствительных нервных окончаний в коже кисти [27, 28].
О функциях и назначении телец Пачини могут кое-что рассказать особенности похожих на них рецепторов у некоторых животных. Так, сходные нервные окончания в клювах уток и гусей, лапах журавлей и цапель улавливают колебания воды. А в крыльях птиц они реагируют на вибрации воздушных потоков. То есть они работают там, где тело животного передвигается в определенной вибрирующей среде [29].
Следующие две разновидности рецепторов относятся к медленно адаптирующимся. Они продолжают реагировать на стимул, когда он уже закончился. Например, если сдвинуть кожу и удерживать ее в новом положении, эти рецепторы еще какое-то время остаются возбужденными.
Диски Меркеля
Число этих рецепторов особенно велико в коже ладоней, подошв, подушечек пальцев, крайней плоти полового члена в клиторе, слизистой оболочке полости рта, пищевода. Их плотность выше на участках кожи, постоянно подверженной воздействию солнечных лучей, по сравнению с закрытыми частями тела. Находятся они в базальном слое эпидермиса как на лишенных волос участках кожи, так и возле волосяных фолликулов [30, 31].Строение диска Меркеля сильно отличается от телец Мейснера и Пачини (рис. 6). Рецептор состоит из клетки Меркеля и нервного окончания.
Клетка Меркеля имеет яйцевидно-эллиптическую форму и размеры около 10−15 мкм. Ее поверхность покрыта примерно пятьюдесятью микроворсинчатыми или шиповидными выступами, которые соединяются с окружающими клетками эпидермиса (кератиноцитами) немногочисленными, небольшими десмосомами. У этих клеток есть две узнаваемые особенности [32]:
- Их ядро имеет дольчатое строение.
- Внутри них находятся гранулы диаметром от 80 до 100 нм. Они расположены возле нервного окончания, с которым контактирует клетка и, как считают ученые, отвечают за передачу возбуждения [33].
Исследования показывают, что диски Меркеля обеспечивают около 25% иннервации кожи руки. Когда в экспериментах у людей стимулируют избирательно только эти рецепторы, то испытуемые ощущают легкое давление. Считается, что диски Меркеля помогают оценивать шероховатые текстуры, форму, края предметов во время ощупывания. При этом они реагируют не на скольжение по поверхности, как, например, тельца Пачини, а на простые прикосновения [35].
Тельца Руффини
Тельца Руффини — самая загадочная разновидность механорецепторов кожи: они изучены хуже всех вышеперечисленных. Выглядит такой рецептор как веретено длиной до 2 мм. Его диаметр в центральной части достигает 150 мкм, по краям — 40 мкм. Тельца Руффини расположены в дерме параллельно линиям растяжения кожи. Они обеспечивают около 20% иннервации руки. Но на кончиках пальцев их плотность невысока — всего одно тельце на 3 квадратных миллиметра. Кроме того, эти рецепторы присутствуют в связках и сухожилиях [36, 37, 38].
Раньше считалось, что тельца Руффини обеспечивают температурную чувствительность. Но потом выяснилось, что они чувствительны к растяжениям кожи во время сгибания и разгибания конечностей, движений пальцами, а также передают сигналы о шероховатости поверхностей, с которыми соприкасается кожа. Таким образом, их можно рассматривать как проприорецепторы. В настоящее время ученые все еще продолжают дискутировать по поводу их функций [39, 40].
Другие рецепторы кожи
В коже присутствуют и другие типы нервных окончаний. Пожалуй, подробнее стоит остановиться на двух: тельцах Краузе и тельцах Гольджи-Маццони.Тельца Краузе (рис. 8) представляют собой концы аксонов, окруженные шванновскими клетками и тонкой капсулой из фибробластов. В основном они присутствуют в гладкой коже. Многие ученые относят их к свободным нервным окончаниям. Раньше считалось, что эти рецепторы реагируют на холод. Но это оказалось не так, до настоящего времени их точная функция неизвестна [41, Gartner, Leslie P., 1943- (2015−11−20). Textbook of histology (Fourth ed.). Philadelphia, PA.].
Тельца Гольджи-Маццони (рис. 9) — специфическая разновидность телец Пачини, встречающаяся только в коже кончиков пальцев. Их отличают более мелкие размеры, меньшее число слоев в «луковице», более тонкая капсула и асимметричное расположение внутреннего ядра вокруг конца аксона. Тельца Гольджи-Маццони расположены в коже более поверхностно по сравнению с тельцами Пачини [43].
Терморецепторы
Температурная чувствительность кожи реализуется через множество нервных окончаний и волокон. Все терморецепторы можно разделить на две группы: тепловые и холодовые. При постоянной температуре кожи они находятся в покое, а при ее изменении передают сигнал в нервные центры, играющие роль «термостата» организма. При этом важно отличать «настоящие» терморецепторы от ноцицепторов, реагирующих на сильные изменения температуры, повреждающие ткани (ниже 20 °C и выше 45°С), а также от механорецепторов, некоторые из которых тоже могут «чувствовать» холод и тепло. Терморецепторы представлены в коже свободными нервными окончаниями [46].Долгое время молекулярные механизмы работы терморецепторов оставались для ученых загадкой. Прорыв произошел в 1997 году, когда удалось клонировать ионный канал клеточной мембраны под названием TRPV1. Оказалось, что он активируется при контакте с капсаицином — соединением, содержащемся в перце чили, — а также при нагревании тканей до температуры более 42 °C [47].
Вскоре были обнаружены другие похожие ионные каналы, и удалось даже составить их «тепловую карту» — каждый реагирует на изменения температуры в определенном диапазоне (рис. 10).
Холодовые рецепторы возбуждаются, когда температура кожи опускается до 25−30°С. Более низкие значения уже могут восприниматься как повреждающие, и тут задействуются ноцицепторы. Интересно, что при прикосновении к предметам, нагретым более чем до 45 °C, может происходить парадоксальная активация холодовых рецепторов, и человек на короткое время ощущает холод.
При нагревании кожи до 30−46°С активируются тепловые рецепторы. Если температура повышается еще больше, то их возбудимость уменьшается, и начинает работать болевая чувствительность [49].
Ноцицепторы
Ноцицепторы относятся к свободным нервным окончаниям. Они иннервируют дерму и эпидермис кожи, оканчиваются в стенках артериол (самых мелких артерий) и окружающей соединительной ткани [50].Этот тип рецепторов реагирует на повреждающие механические воздействия, изменения температуры, химические вещества. В этом и состоит суть боли: просигнализировать в нервную систему о повреждении тканей. Отсюда вытекает важное свойство ноцицепторов: высокий порог чувствительности. Они активируются, лишь когда ситуация действительно серьезная.
Зачем мы испытываем боль?
На научном языке боль определяют как «сложную совокупность неприятных сенсорных, эмоциональных и когнитивных переживаний, спровоцированных реальным или предполагаемым повреждением тканей и проявляющуюся определенными вегетативными, психологическими и поведенческими реакциями». Вот такое сложное определение, но в нем есть важная оговорка. Само по себе возбуждение ноцицепторов еще не равно боли. Чтобы человек почувствовал, что у него что-то болит, сигнал должен достичь головного мозга и вызвать там определенные реакции, в том числе на эмоциональном уровне [51, 52].
Чаще всего о боли принято говорить как о чем-то неприятном и нежелательном, но на самом деле это важная защитная реакция. Например, некоторые преподаватели медицинских ВУЗов любят задавать студентам на зачетах и экзаменах шутливый вопрос: «Что будет делать мартышка в Африке, если сильно ушибет лапу?». Правильный ответ: «То же самое, что любое другое животное и человек: она будет беречь ее от нагрузок, постарается не опираться на нее и не хвататься ею за лианы». Это одна из универсальных реакций на боль: мы стараемся беречь поврежденную руку или ногу, тем самым защищая ее от повторной травмы и давая время на заживление.
Ноцицепторы возбуждаются от разных стимулов: экстремально высоких и низких температур, травмирующего механического воздействия (например, при ударе), токсичных химических веществ, медиаторов воспаления, которые выделяются в поврежденных тканях. И всё это сигнализирует нервной системе об одном: воздействие слишком сильное, оно уже навредило или может навредить, нужно что-то предпринимать.
Чтобы передать сигнал о боли, ноцицепторы обычно используют такие молекулы-медиаторы, как глутамат, субстанция P, пептид, связанный с геном кальцитонина, и соматостатин [53].
Еще один игрок в болевой чувствительности
Раньше считалось, что, достигая эпидермиса, аксоны, несущие ноцицепторы, полностью теряют свою миелиновую оболочку из шванновских клеток и располагаются в виде свободных нервных окончаний. Но относительно недавние научные работы показали, что это не так. Шванновские клетки всё же есть: они находятся в дерме, проникают в эпидермис, и в них как бы упираются концы аксонов, отвечающих за болевую чувствительность. Из-за тесной связи с ноцицепторами ученые назвали эти клетки ноцицептивными шванновскими клетками.
В 2019 году группа ученых поделилась результатом интересного эксперимента. Они решили изучить функции этих шванновских клеток с помощью оптогенетики — применения белков, реагирующих на свет. Шванновские клетки в коже подошв передних лап мышей были заражены вирусом, который заставил их синтезировать особые белки. Из этих белков на поверхности клеток формировались светочувствительные ионные каналы. За счет них после облучения синим цветом клетки активировались. В результате усилились импульсы в нервах, чувствительных к боли. А мыши стали отдергивать лапы, облизывать их, трясти ими — как будто животным было больно. На основе этого ученые сделали вывод, что ноцицептивные шванновские клетки — еще один участник в возникновении боли. Они активируются сами, а после этого активируют нервные окончания [54].
Это интересно: умеет ли кожа чувствовать ультрафиолетовое излучение?
В 2011 году в научном журнале Current Biology были опубликованы результаты исследования, которое показало, что кожа умеет «видеть» ультрафиолетовое излучение, а в качестве «рецепторов» выступают меланоциты. Исследователи под руководством Елены Оанча проанализировали гены, активные в этих клетках, и обнаружили, что в меланоцитах вырабатывается чувствительный к свету белок родопсин — такой же присутствует в сетчатке глаза и помогает нам видеть свет.
Когда на меланоциты воздействовали ультрафиолетовыми лучами, выработка меланина в них в течение 24 часов увеличилась в пять раз. А когда в клетках предварительно «отключили» ген родопсина, такого эффекта больше отмечалось.
Этот эксперимент показал, что кожа может буквально видеть УФ-лучи и принимать экстренные меры по защите от них [55, 56, 57].
Вегетативная иннервация кожи
Кожа не только отправляет сигналы в центральную нервную систему, но и получает от нее указания. Передаются они через вегетативную нервную систему — ту самую, что работает сама по себе, и человек не может контролировать ее сознательно. Кожу тела по большей части иннервирует симпатический отдел — тот, что реагирует на стресс. На коже лица представлен еще и парасимпатический. Они регулируют работу кровеносных сосудов и желез [58].Кожа намного теснее, чем кажется на первый взгляд, связана с нервной, эндокринной и иммунной системами. Основные взаимосвязи продемонстрированы на рис. 11.
На рисунке показано, что различные стрессовые факторы — как центральные, действующие внутри организма, так и повреждение периферических тканей, активируют гипофиз и гипоталамус. Это приводит к высвобождению нейромедиаторов, таких как кортикотропин-рилизинг-гормон (CRH), меланоцитостимулирующий гормон (MSH), полипептид, активирующий аденилатциклазу гипофиза (PACAP). В свою очередь, эти соединения стимулируют выработку норадреналина и кортизола в надпочечниках либо напрямую влияют на иммунные клетки через рецепторы CRH, MC или PAC, тем самым регулируя воспалительный процесс и иммунные реакции. Гормоны надпочечников тоже действуют на иммунные клетки, такие как лимфоциты, гранулоциты и макрофаги. На этом цепочка событий не заканчивается: иммунные клетки начинают синтезировать «воспалительные молекулы» — цитокины, хемокины и нейропептиды, и те оказывают свои эффекты в коже. Одновременно активируется вегетативная нервная система. Она влияет на кровеносные сосуды и другие структуры кожи, активируя защитные реакции [59].
Возрастные изменения рецепторов кожи
О том, что с возрастом у многих людей снижаются, вплоть до полной потери, слух, зрение, обоняние, говорят часто и много. Снижение тактильной чувствительности часто остается за кулисами, но это тоже актуальная проблема. Ведь если человек хуже воспринимает прикосновения к коже, то это сказывается и на способности к выполнению повседневных дел, и на качестве тактильного контакта с близкими.Доказано, что с возрастом уменьшается число нервных волокон в дерме и эпидермисе, ухудшается проведение сигнала по нервам, увеличивается число токсичных нейропротеинов, а в спинномозговых корешках всё больше нервов теряет свою миелиновую оболочку [60].
Некоторые исследования показали, что в процессе старения в коже постоянно уменьшается число телец Мейснера и клеток Меркеля. Меняется внешний вид телец Мейснера: они становятся более мелкими, принимают округлую форму и «прячутся» глубже в дерму. В аксонах телец Мейснера и клеток Меркеля снижается число Piezo2 — ионных каналов, реагирующих на механические раздражения. Тельца Пачини такая судьба обходит: они почти не претерпевают возрастных изменений [61]. Во время одного исследования ученые решили проверить, почему у некоторых пожилых людей снижается способность к распознаванию текстур на ощупь, а у других оно почти не страдает. Оказалось, что дело в разной плотности мейснеровских телец: чем она ниже, тем хуже тактильные ощущения [62].
Что касается центральной нервной системы, то тут был обнаружен один интересный факт. У людей в возрасте 60−85 лет площадь зоны коры головного мозга, связанная с чувствительностью рук, оказалась на 40% больше, чем у 19−35-летних. При этом сенсорные функции у них хуже. Такие же особенности мозга у людей некоторых профессий, например, музыкантов, а также у слепых, читающих шрифт Брайля, приводят к повышению чувствительности. Исследователи считают, что у пожилых этот феномен возникает из-за того, что ухудшаются тормозные процессы в коре головного мозга [63].
Свою лепту в «сенсорное старение» вносят и такие факторы, как потеря миелиновых оболочек и нейронов, уменьшение массы мозга (оно ускоряется после 70 лет), нарушение мозгового кровотока, обменных процессов. Особенности и механизмы ухудшения кожной чувствительности с возрастом изучать сложно, потому что тут задействованы и рецепторы, и нервные волокна, и центральная нервная система. Но это важно, потому что, зная обо всех механизмах старения организма, появляется больше потенциальных возможностей повлиять на них [64, 65, 66].