Тайны проприоцепции (кинестезии): о рецепторах, помогающих ощущать местонахождение тела, и о жизни людей, которые их лишены

Проприоце́пция или проприореце́пция (от лат. proprius — «собственный, особенный» и receptor— «принимающий»), также известная как кинестези́я (от др.-греч.κοινός «общий» + αἴσθησῐς — «чувство, ощущение») — мышечное чувство — ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве. Проприоцепция определяет и частично формирует физический аспект сознания.

Американский научный журналист Брайан Резник в своей статье «Безмолвное «шестое» чувство» рассказывает о рецепторах, помогающих ощущать местонахождение тела и боль, об учёных, которые их изучают, и о жизни людей, которые их лишены. И о том - как исследование проприоцепции поможет усовершенствовать технические устройства и подскажет новые способы лечения боли.

Безмолвное «шестое» чувство

Проприоцепция — это таинственная способность организма определять местонахождение наших конечностей даже в темноте. Мы только начинаем это изучать.

Сана, миниатюрная 31-летняя француженка с вьющимися каштановыми волосами, привязана к стулу в Клиническом центре при Национальных институтах здоровья (NIH). Перед ней письменный стол. Вокруг нее 12 инфракрасных камер, отслеживающих каждое ее движение. Исследование начинается.

На столе стоит черный цилиндр. На нём находится серебристый пластиковый шарик. Испытуемую просят коснуться своего носа, а затем шара перед ней. Легко. Она касается своего носа. Она касается шара.

Теперь — сложная часть.

Лаборант говорит ей закрыть глаза. Он кладет ее палец на шар, а затем подносит его обратно к ее носу. Он отпускает и просит Сану сделать это самостоятельно, не открывая глаз.

И тут как будто местоположение шара оказалось стертым из ее разума. Она пытается нащупать его, широко размахивая рукой влево и вправо. Когда ей удается коснуться шарика, это кажется случайностью. Она изо всех сил пытается найти на лице нос, промахиваясь несколько раз.

«Как будто я потерялась», — говорит она через переводчика. Когда ее глаза закрыты, она не знает, где находится ее тело в пространстве.

Попробуйте сами. Поставьте перед собой стакан. Коснитесь верхней части несколько раз с открытыми глазами. Затем попробуйте найти его с закрытыми глазами. Скорее всего, вы легко справитесь.

Когда мы закрываем глаза, наше ощущение мира и место нашего тела в нем не исчезают. Остается невидимое ощущение. Это чувство называется проприоцепция — то есть осознание того, где находятся конечности и как наше тело располагается в пространстве. Как и другие органы чувств — зрение, слух и т. д., — это помогает нашему мозгу ориентироваться в мире. Это иногда называют «шестым чувством».

Проприоцепция принципиально отличается от других чувств: она никогда не отключается, за исключением очень редких случаев. Мы знаем, что такое тишина, когда закрываем уши, мы знаем, что такое тьма, когда закрываем глаза.

Сана — одна из немногих людей в мире, которая знает, каково это, когда проприоцептивное чувство отключено. Другой такой человек — ее старшая сестра, Соусен, 36 лет, которая также подверглась исследованию в NIH в августе. Ей тоже трудно найти свой нос в темноте.

«Если дома отключается электричество, — говорит Соусен, — я падаю на пол». Это чувство так же трудно представить, как и описать. «Это как если бы вам завязали глаза, раскрутили и попросили пойти в определенном направлении. Первые несколько секунд вы не знаете, в каком направлении вы идёте». Полная дезориентация.

У сестер, чьи фамилии я не использую по соображениям конфиденциальности, также есть еще одна общая особенность: они не чувствуют многих вещей, к которым прикасаются. «Когда я трогаю маленький шарик даже с открытыми глазами, я его не чувствую», — признаётся Соусен.

Из всех чувств осязание и проприоцепция наименее изучены. Но за последнее десятилетие нейробиологи сделали огромный прорыв в понимании, как они устроены. Благодаря этому могут создавать более эффективные способы лечения боли и протезы для пациентов с ампутированными конечностями. Также мы стали лучше понимать, что значит быть человеком и познавать мир при помощи тела.

Сана, Соусен и несколько подобных пациентов — идеальные объекты для ученых, изучающих осязание и проприоцепцию. В их мышцах или мозге нет ничего необычного. У них нет одной крошечной, но чрезвычайно важной вещи: рецептора размером с молекулу, который действует как дверной проем, через который физические силы проникают в нервную систему и поднимаются в сознание. Рецептор называется пьезо2, и он был открыт всего 10 лет назад.

Недостающая молекула, по существу, лишает способности ощущать их проприоцептивную систему. Из-за этого их кожа не способна испытывать некоторые специфические ощущения.

ВИДЕО на котором испытуемая в лаборатории не может своим пальцем прикоснуться к кончику носа - доступно по ссылке (в тексте).

Такие пациенты редко встречаются — команда NIH и их коллеги по всему миру выявили только 18 случаев, первые два из которых были описаны в научной статье в New England Journal of Medicine в 2016 году. Это «эквивалент идентификации первого слепого или первого глухого человека, — говорит Александр Чеслер, нейробиолог из NIH, работавший с Саной, ее сестрой и другими. — Вот люди, которые, исходя из того, что мы знаем о молекуле, не чувствительны к прикосновению».

Эффекты этого состояния могут мешать людям контролировать свое тело, особенно с закрытыми глазами. Симптомы этого редкого генетического нарушения часто неправильно диагностируются или остаются недиагностированными в течение многих лет.

Изучая их, нейробиологи получают возможность исследовать основные функции осязания и проприоцептивной системы, а также узнают об удивительной способности мозга к адаптации.

Великая сила крошечной молекулы

Карстен Беннеманн — подобно детективу изучает неврологические медицинские загадки. Когда у детей наблюдают неврологическую патологию, причины которой трудно выявить, он пытается раскрыть дело. «Мы ищем необъяснимое», — говорит Боннеманн, детский невролог из Национального института неврологических расстройств и инсульта.

В 2015 году одна такая загадка привела его в канадский город Калгари, чтобы обследовать 18-летнюю девушку со странным расстройством. Она могла ходить — научилась примерно в 7 лет, — но только когда смотрела на свои ноги. Стоило ей закрыть глаза, она падала на пол. Как будто зрением она могла переключить тайный выключатель, дающий ей контроль над той частью тела, на которую она смотрела. Вне поля зрения тело было вне ее контроля.

«И когда я осмотрел ее, я понял, что у нее нет… проприоцепции», — говорит Беннеманн. С закрытыми глазами она не ощущала, если доктора осторожно двигали ее пальцы вверх или вниз. Такое было не только с пальцами. Она не осознавала движения в локтях, плечах, бедрах — в любом суставе организма.

Хотя зачастую мы не осознаем этого, но проприоцепция выполняет очень важную функцию. «Если вы хотите двигаться скоординированно, вам нужно знать, где находится ваше тело в любой момент, — говорит нейробиолог из Медицинского института Говарда Хьюза Адам Хантман, изучающий проприоцепцию. — Вы можете смотреть на свои конечности, но это означает, что вы не можете смотреть на что-то другое». Проприоцепция освобождает глаза для того, чтобы они могли наблюдать за тем что происходите вне тела.

Чтобы поставить диагноз, команда Беннемана секвенировала геном девочки и нашла мутацию в генах, которые кодируют сенсорный рецептор, называемый пьезо2. В 2015 году пьезо2 был еще неизведанным для науки.

До этого ученые давно знали, что разнообразные отдельные нервы посвящены восприятию внешнего мира. Если нервы — провода, которые передают информацию от мира к мозгу, то эти рецепторы — переключатели, где возникают электрические сигналы, первая шестерня в биологической машине.

Важное открытие пьезо2 произошло в Научно-исследовательском институте Скриппса, где исследователи потратили годы, изучая клетки крошечными стеклянными зондами. (При этом рецепторы пьезо производят небольшой электрический ток. Пьезо по-гречески означает «нажимать».) Исследователи обнаружили два рецептора — пьезо1 и пьезо2. Когда клетки, содержащие эти рецепторы, растягиваются, рецепторы открываются, впуская ионы и запуская электрический импульс.

Пьезо1 участвует в имеющихся в наших организмах системах контроля артериального давления, а также в других внутренних системах, связанных с давлением. Пьезо2, как показали дальнейшие исследования, — это молекула, важная как для осязания, так и для проприоцепции. Ворота, через которые ощущения от механических раздражителей начинают свое путешествие в наше сознание.

В 2015 году ученые только начали изучать особенности пьезо2 на мышах, об исследовании людей и речи не было. Беннеману нужно было ознакомиться с предметом, и он, вернувшись в NIH в Бетесде, отправил электронное письмо Чеслеру, изучавшему мышей, у которых не было пьезо2. Беннеманн рассказал ему о пациентке, а также о 8-летней девочке из Сан-Диего, у которой они подозревали аналогичную мутацию.

«И это заставило меня в буквальном смысле свалиться со стула и помчаться в его офис, — говорит Чеслер. — У меня никогда не было возможности попросить моих мышей просто описать, на что похожа их жизнь, каков их опыт, задать им вопросы».

Наше таинственное чувство осязания

Сана и Соусен, как и первая пациентка Беннемана, родились с генетической мутацией, из-за которой их пьезо2-гены не функционируют. И это повлекло пожизненные нарушения проприоцепции, осязания и движения. Обе женщины могут немного ходить самостоятельно, но для передвижения используют электрические инвалидные коляски. Обе живут самостоятельно. Сана — клинический психолог, а Соусен заведующая лагерем для детей с ограниченными возможностями.

Они не знают жизни с проприоцепцией, из-за чего им трудно даже описать то, чего им не хватает. «Мне не с чем сравнивать, ведь я всегда была такой», — говорит Сана.

Из немногих случаев людей без проприоцепции в медицинской исторической литературе наиболее известен Ян Уотерман — британский мужчина, чьи нейроны, ответственные за осязание и проприоцепцию, были повреждены инфекцией. Из-за этого он перестал ощущать свое тело ниже шеи, хотя физически мог двигаться - его случай описал невролог Джонатан Коул.

Всего лишь год назад Сана и Соусен даже не знали, что с ними не так. Затем оказалось, что у них мутации в генах пьезо2, и они стали постоянными участницами исследований Боннемана и Чеслера на тему функций пьезо2 в организме человека. Пока исследователи нашли всего дюжину пациентов с нефункциональными пьезо2-рецепторами.

Осязание — очень сложное чувство, так как существует очень много его форм, каждая из которых опирается на разные системы нервов и рецепторов.

Если просто представить все то, что мы можем прочувствовать, можно испытать благоговейный трепет. «Если кто-то попытается незаметно пройти позади вас и сдвинуть хоть один волосок, вы это сразу узнаете, — говорит Чеслер. — Это одна из самых удивительных биологических машин».

Во многих отношениях сенсорная информация, которую мы получаем от нашего тела, гораздо более разнообразна, чем информация, которую мы получаем от глаз, ушей и рта.

Например, ощущение жары и холода воспринимается другими нейронами, чем ощущение легкого прикосновения, и использует иные рецепторы (некоторые из которых были открыты совсем недавно). Боль, зуд и давление тоже различаются. Есть также некоторые сенсорные ощущения, которые зависят от контекста. Подумайте, как ощущение легкого прикосновения футболки к вашему телу исчезает из сознания, чем дольше вы ее носите. Но если вы обгорели на солнце, носить эту футболку внезапно становится крайне неприятно.

Без пьезо2 сестры не могут чувствовать легкое, нежное прикосновение, особенно на руках и пальцах. Соусен, положив руку в карман, говорит: «Я вытаскиваю руку из кармана, думая, что что-то держу, а моя рука пуста». Она не может чувствовать предметы, и она не знает, где находится ее рука. Так что карман может оказаться черной дырой, если она не смотрит прямо в него.

Но сестры могут чувствовать тепло и холод. Они могут чувствовать давление. И они не застрахованы от боли. В частности, они могут чувствовать острую боль.

Соусен увлекается стрельбой («для снятия стресса»), и спусковой крючок ее оружия имеет жесткие края. Когда она вонзает палец в край, она его чувствует.

Этот тип боли начинает свое проникновение в нервную систему с помощью другого рецептора, не пьезо2. «Поэтому, когда вы чувствуете это, мы не понимаем на молекулярном уровне, что происходит с активацией ваших нейронов», — говорит Чеслер.

Они могут чувствовать боль такого типа, но не чувствуют другую, называемую тактильной аллодинией. Это когда легкие прикосновения, которые обычно приятны, становятся болезненными. (В лаборатории исследователи создают тактильную аллодинию, натирая кожу капсаицином — пряным химическим веществом, которое содержится в жгучем перце.)

Еще одна загадка: пациенты могут чувствовать, когда гладят их кожу с волосами, например, на руках. Но как ни странно, они не могут чувствовать отдельные движения волосков. «Мы не знаем, как они это делают», — говорит Чеслер. Это значит: нейробиология не вполне понимает, как это ощущение генерируется в организме.

Именно эти идеи могут привести к некоторым практическим результатам исследования, а именно к новым способам лечения боли. Ученые надеются, что, выявляя рецепторы, которые приносят физические ощущения в наши тела, они смогут научиться усиливать их, а возможно, и отключать, когда они причиняют боль.

«Это мечта исследователей боли, — говорит Чеслер. — Можем ли мы посмотреть на боль не так прямолинейно, а попытаться понять ее на более механистическом уровне?». Если вы не знаете, например, какой рецептор отвечает за острую боль, вы не сможете придумать лекарство, чтобы снять ее.

Тайны проприоцепции

Осязание сложно. Проприоцепция еще сложнее. Но изучая ее, учёные могут совершить открытия, которые простираются далеко за пределы человеческого тела.

Глубоко во всех наших мышцах находятся волокна, называемые мышечными веретенами: это пучок волокон и нервов, которые фиксируют растяжение мышц. На нервных окончаниях мышечных веретен вы найдете… да, пьезо2. Когда одни мышцы растянуты, а другие сокращаются, пьезо2 передает всю эту информацию в спинной мозг, чтобы определить, где находятся ваши конечности.

Удивительно, как каждая мышца вашего тела постоянно посылает эту информацию. Ваша нервная система каким-то образом обрабатывает огромный объем данных без какой-либо сознательной работы с нашей стороны. Да и разве может эта работа быть осознанной? Мы бы сошли с ума от информационной перегрузки.

Задумайтесь, что нужно, чтобы сидеть прямо. Все мышцы спины должны передавать правильную информацию, чтобы вы могли держать все кости позвоночника на одной линии. У пациентов без пьезо2 нет этой информации. У них сколиозная осанка, потому что их мышцы спины не говорят мозгу, как выровнять позвоночник.

Без проприоцепции Сане и Соусен приходится постоянно концентрироваться. Сана признается, что упавшие на глаза волосы иногда заставляют потерять ориентацию относительно того, где находится тело. То же самое может случиться, если кто-то подойдет слишком близко к ее лицу, блокируя периферийное зрение. Это означает, что ей нужно очень сконцентрироваться, если она хочет кого-то поцеловать.

До сих пор остается загадкой, как мозг так легко объединяет все источники проприоцептивной информации.

«Самое удивительное в нём то — насколько он пластичен, — говорит Адам Хантман, нейробиолог из Медицинского института Говарда Хьюза, изучающий проприоцепцию. — Вы можете дать мне задание: протянуть руку за чашкой и сделать это так, как яникогда не делал это раньше. И, не тренируясь, я смогу перевернуть руку, завести ее за спину и дотянуться до чашки. Я никогда не делал этого раньше в своей жизни, но я смогу сделать это без практики».

И в этом исследовании так много прекрасных загадок, которые до сих пор не до конца поняты исследователями.

Ученые обычно рассматривают осязание и проприоцепцию как разные системы. «Но они могут в некоторой степени пересекаться», — говорит Джориен Де Ноой, исследователь в сфере неврологии, изучающая проприоцепцию в Колумбийском университете. Рецепторы кожи способствуют нашему пониманию того, где находятся наши конечности. «В ногах есть рецепторы давления, которые активируются каждый раз, когда вы делаете шаг», — говорит она. И это также дает нашему мозгу информацию о том, где находится тело.

У нас так много входов в сенсорную систему, которые дают обратную связь и ориентируют разум на то, что делают наши тела. «Изучение того, как мозг на самом деле справляется с этим — какие алгоритмы использует для построения и использования этих моделей — поможет нам создавать более совершенные технические устройства», — говорит Хантман.

В частности, это поможет создать более эффективные протезы, которые напрямую контролируются нервной системой пациента. «Технические устройства довольно хорошо воспринимают сигнал от мозга и приводят в движение протезы, — говорит он. — Но мы пока не сделали самое важное — не замкнули петлю, чтобы возвратить сенсорную информацию».

Мозг также делает еще кое-что, связанное с проприоцепцией, что исследователи очень хотят понять: как он компенсирует ее утрату, как в случае Саны и Соусен.

Самое замечательное, что может сделать мозг

Мышечные веретена и другие нервные окончания объясняют, как проприоцепция работает в теле. Но еще более странно, как она проявляется в работе разума.

Я продолжаю думать о том, что происходит, когда я закрываю глаза и дотрагиваюсь до чего-то. Передо мной на столе стоит стакан. Я могу схватить его с закрытыми глазами. Я пытаюсь сосредоточиться на мысли о том, где находится стакан в пространстве, и подробно описать: что именно я испытываю в этот момент?

Это похоже на попытку описать сон. Вы знаете, что он там. Он кажется реальным. Но у него нет формы. «Это сознание», — говорит Ардем Патапутян, учёный-нейробиолог в Scripps, чья лаборатория впервые обнаружила пьезо-рецепторы. Он говорит, что физический аспект сознания определяется и частично формируется проприоцепцией.

При написании этого текста я вспомнил процесс, посредством которого мозг создает сознание — как волшебник или фокусник, смешивающий ингредиенты. Волшебник получает сенсорные данные от тела, такие как прикосновение, температура, смешивает их с мыслями, эмоциями и воспоминаниями, с предсказаниями о мире — и бросает в котел для генерации сознания. Из этих разрозненных частей возникает полное ощущение себя. Это больше, чем сумма частей.

Но это не значит, что если вам не хватает ингредиента, то результат испортится. Сана и Соусен не могут получать информацию из своих пьезо2-рецепторов, но их разум использует другие ингредиенты для компенсации. Их сознание такое же, как у всех остальных.

Чеслер считает, что мозг сестер все равно создает карту их тел. Они просто должны использовать другие входящие ощущения, такие как зрение или другие ощущения, например, жару и холод, или болезненное прикосновение.

Как слепой человек становится очень острым на слух, они используют другие чувства, чтобы компенсировать то, чего им не хватает. Когда Сана потянулась к цилиндру с закрытыми глазами, она попыталась почувствовать поток воздуха от кондиционера. Она вспомнила, что шар был холодным и старалась найти это холодное место.

«Что происходит в их мозге, чтобы создать образ своего тела в отсутствие информации, на которую мы постоянно опираемся? Этот вопрос — один из самых важных, которые мы могли бы задать об этом чувстве, — говорит Чеслер, — и я надеюсь, что в ближайшие несколько лет моя лаборатория приблизится к ответу».

Но вам не нужно исследование, чтобы убедиться, что это правда: человеческий разум обладает удивительной пластичностью. «Пришлось привыкнуть к собственному телу, — говорит Соусен. — Мы научились обходиться теми возможностями, которые имеем».

Источник: Vox.