Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл

Гребневики, или ктенофоры, – невероятно интересные существа. Выглядят они чертовски круто, и считается, что это первая группа животных, отклонившаяся в развитии от одноклеточных предков – эукариот. У них есть несколько типов клеток, в том числе и нервные клетки, есть нервная система, но нет централизованного скопления клеток, которые формируют мозг. Если ктенофоры действительно являются первыми животными, чья эволюция устремилась по другой ветке древа жизни, то тогда вырисовывается любопытный сценарий развития событий. Первый момент: нервные системы гребневиков и других животных очень схожи (за исключением губок и пластинчатых). Второй момент: нервную систему относительно легко утратить, как это случилось в ветви, по которой развивались губчатые и пластинчатые. Этот пример показывает, как применение концепции общих предков и древа жизни позволяет нам проанализировать значимые изменения нервной системы, произошедшие при дивергенции животных.

2. 1 Потенциал действия

Потенциал действия – это физиологическая реакция клетки, при которой электрический разряд в ней повышается и понижается. У более сложных животных есть регулируемая мембраной разница электрического потенциала между внутренней и внешней сторонами клетки. Мембрана поддерживает напряжение внутри клетки на уровне минус 70 милливольт относительно внешней среды, и это называется состоянием покоя. Когда клетку каким-то образом стимулируют извне, разница потенциалов снаружи и внутри повышается примерно на 110 милливольт и становится равна 40 милливольтам. В результате заряд внутри клетки повышается. Затем напряжение резко падает гораздо ниже значения состояния покоя, а после возвращается к изначальным 70 милливольтам. Повышение и понижение потенциала действия происходит очень последовательно, и именно так нервные импульсы или электрические сигналы передаются от клетки к клетке по всей нервной системе. Потенциалы действия также важны для связи нервной системы с сенсорной и моторной системами.

Однако способы взаимодействия нервных клеток у нашей ветки и более низших, «мягких», животных одни и те же. Похоже, что передача электрического сигнала посредством потенциала действия – это изобретение древних животных.

После того как отделились ветви гребневиков, губчатых и пластинчатых, общий предок стрекающих кишечнополостных и группа билатеральных, к которой относимся и мы, тоже разошлись. Любой организм, симметричный относительно линии, проведенной от центра головы до конца тела, называется билатеральным или двусторонне-симметричным. Наиболее близкородственная билатеральным группа – это стрекающие кишечнополостные, книдарии, объединяющие медуз, гидр, кораллы и очень странную группу организмов, называющихся кубомедузами из-за их формы, напоминающей коробку. У стрекающих кишечнополостных есть клетки, которые можно назвать нервными, и нервная система, которую лучше всего описывать словом «сеть», но нет централизованного сосредоточения нервных клеток, которое можно называть мозгом.

Билатеральные делятся на две большие группы: первичноротые (например, насекомые и моллюски) и вторичноротые (куда входит человек). В организмах обеих основных групп билатеральных есть мозг, поэтому ученые обычно считают его признаком именно этого таксона [5 - Таксон – классификационная группа в биологии, в которую входят организмы, связанные определенной степенью родства, обладающие значительной обособленностью от других групп, достаточной для выделения в отдельную таксономическую категорию, такую как вид, род, семейство и т. д. – Прим. науч. ред. ]. Большинство биологов склонны описывать мозг первично- и вторичноротых, используя термин «гомологичный». Дарвин был первым, кто придал ему смысл, указав, что гомологичные признаки – это те, что передаются в результате прямого наследования от общего предка. К примеру, крылья птицы и летучей мыши не гомологичны, поскольку существует множество бескрылых млекопитающих, прерывающих общую родословную этих двух видов позвоночных. Любые признаки, присутствующие у организмов, но не связанные одной линией происхождения, считаются аналогичными и возникли в результате конвергенции (сходства).

Но действительно ли мозг можно назвать признаком билатеральных? Считается, что общая структура мозга первичноротых отличается от более развитого мозга вторичноротых. У общего предка билатеральных была нервная сеть, которая охватывала большую часть его организма, а в ее переднем отделе находилось некое скопление нервных клеток, которое нейробиологи назвали бы мозгом. Некоторые нейроанатомы – специалисты по нервной системе – предполагают, что общий предок билатеральных даже имел сложную структуру, состоявшую из трех отделов.

Вполне возможно, что скопление клеток в переднем отделе нервной системы предка билатеральных начало развиваться в двух направлениях, что привело к появлению первичноротых и вторичноротых. Чтобы как-то отличать мозг первичноротых от развитого и структурированного мозга вторичноротых, я часто называю тот первомозгом. Мы можем использовать насекомых в качестве типовой системы для расшифровки того, как сенсорная информация собирается из внешнего мира и превращается в нервные импульсы, но, как только та попадает в мозг в случае вторичноротых или в первомозг у первичноротых, сходство между этими двумя типами нейронных центров заканчивается. Вероятнее всего, сбор информации органами чувств и передача ее для обработки – это единственное, что можно сопоставить у мозга и первомозга. Судя по всему, наши билатеральные предки обладали довольно обширным арсеналом сенсорных инструментов, и наблюдения за такой удивительной дифференциацией мозга и первомозга после дивергенции билатеральных ясно показывают, что этот инструментарий использовался различным образом по мере того, как один вид появлялся вслед за другим. Справедливости ради надо отметить, что некоторые исследователи приводят доводы в пользу гомологии на основе другой важной информации. Первичноротые, такие как фруктовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster), для нейронной обработки используют многие из тех же генов, что и вторичноротые. Кроме того, они имеют очень похожие, хотя и неидентичные структуры, где нервные клетки вступают в контакт друг с другом (так называемые синапсы – см. вставку 2. 2). Но, если вдуматься, это любопытная мысль: сложный мозг сформировался как минимум дважды на этой планете – в ветке первичноротых и у вторичноротых (рис. 2. 1).

2. 2 Синапсы

Синапсы – это точки контакта, которые позволяют одному нейрону связываться с другим посредством передачи электрического сигнала. Механизм появления этого сигнала довольно сложный (см. вставку 2. 1). Клетка, передающая электрический заряд, называется пресинаптической, а получающая его – постсинаптической. Ученые полагают, что взаимодействие клеток других типов, таких как мускульные клетки, с нейронами тоже осуществляется через синапсы.

Рис. 2. 1. Сравнение мозга позвоночных (птицы и примата) с мозгом нематоды (круглого червя) и насекомого

Рис. 2. 2. Структура синапса. Пресинаптическая клетка содержит синаптический пузырек (везикулу), выпускающий нейротрансмиттеры, а мембрана постсинаптической клетки содержит клеточный рецептор – белок

Если не считать мозг первичноротых тем же типом мозга, что и наш, или по крайней мере не называть его триединым, то можно использовать мозг, состоящий из трех частей, в качестве эвристического приема, чтобы понять, как эволюционировал мозг позвоночных. У организмов ранних веток вторичноротых, таких как морские звезды или морские ежи, есть нервные клетки, но они распределены по всему телу без центрального скопления клеток, которое можно было бы назвать мозгом. Некоторые ученые проявляют верх педантизма и считают, что у этих организмов, известных также как иглокожие, есть своего рода «распределенный мозг».