Введение в физиологию сенсорных систем

Сенсорные системы мозга (или, по И.П. Павлову, анализаторы) - это сово­купность сенсорных рецепторов, специализированных вспомогательных аппаратов, многочисленных нейронов мозга, которые участвуют в обработке информации о сигналах внешнего или внутреннего мира, на основе ко­торой формируются ощущения и восприятия - основа представления о мире.

Все анализаторы, по И.П. Павлову, состоят из трех основных отделов: периферического, проводникового и цен­трального, или коркового. В периферическом отделе с по­мощью сенсорных рецепторов происходит превращение сиг­нала внешнего мира в электрический процесс. В проводни­ковом отделе осуществляется последовательная обработка сенсорной информации и проведение ее в высшие отделы мозга. В центральном, или корковом, отделе совершается окончательная обработка сенсорной информации и форми­руется вначале ощущение (т.е. представление об отдельных свойствах сенсорного сигнала, или субъективный образ сиг­нала), а затем восприятие (перцепция), т.е. целостное, ин­тегральное отражение отдельных предметов или явлений внешнего мира. Восприятие составляет основу всей интел­лектуальной деятельности человека, т.е. мышления.

Выделяют такие сенсорные системы как зрительная, слуховая, вестибулярная, соматическая (в том числе так­тильная, температурная и ноцицептивная, или болевая), проприоцептивная, вкусовая, обонятельная, висцеральная (интероцептивная), итого - 10 систем. Благодаря сен­сорным системам у человека формируются соответственно 10 видов ощущений, или чувств, из которых один вид ощущений (возникающий на основе интероцептивной ин­формации) - не всегда имеет четкое осознание. В зри­тельной, слуховой, вестибулярной, соматической, вкусо­вой и обонятельной сенсорных системах периферический отдел устроен достаточно сложно, т.е. включает в себя множество морфологических структур, способствующих детекции сигнала. Для обозначения сложно устроенных периферических отделов введено такое понятие как орга­ны чувств (organa sensoria). К ним относятся: глаз (орган зрения), ухо (орган слуха), вестибулярный аппарат (орган гравитации), кожа (орган осязания), вкусовые со­сочки языка (орган вкуса) и нос (орган обоняния).

Сенсорные системы мозга прошли огромный путь эволюционного развития, достигнув своего максимального развития у человека. На всех этапах эволюции сенсорные системы позволяли получать живым организмам всю не­обходимую информацию об окружающей среде для поисков пищи, для нахождения особей другого пола, для из­бегания всевозможных опасностей, для ориентации и вре­мени. На основании сенсорной информации реализуются многочисленные безусловные и условные рефлексы, в том числе интеллектуальные условные рефлексы, лежа­щие в основе психической деятельности человека. И. М. Сеченов писал, что «психический акт не может явиться в сознании без внешнего чувственного возбуждения».

Знания о механизмах функционирования сенсорных систем мозга имеют важное значение для клинической медицины, гигиены и валеологии. Близорукость, старчес­кая дальнозоркость, отслойка сетчатки, помутнение хрус­талика, глаукома - вот далеко неполный перечень ано­малий и патологии зрительной сенсорной системы, рас­пространенность которых в современном обществе катаст­рофически растет, что требует профилактических, лечеб­ных и реабилитационных мероприятий. Не меньшей про­блемой для медицины и педагогики являются слабовидя­щие и слабослышащие, а также слепые и глухонемые дети, подростки и взрослые.

Рассмотрим классификацию раздражителей. Все сигналы (раздра­жители) внешней и внутренней среды, которые восприни­маются сенсорными системами мозга, различаются по мо­дальности, т. е. по той форме энергии, которая свойствен­на каждому из них. Раздражители бывают механические, химические, тепловые, осмотические, световые, электричес­кие. Они передаются с помощью различных форм энергии; например, свет - фотонами, химические раздражители - молекулами и ионами, механические - посредством меха­нической формы энергии. Все раздражители независимо от их модальности подразделяются на адекватные и неадек­ватные. Адекватность раздражителя проявляется в том, что его пороговая интенсивность значительно ниже по сравнению с неадекватными раздражителями, например, воздействие светового и механического стимулов на рецеп­торы глаза. Ощущение света возникает у человека, когда минимальная интенсивность светового раздражителя со­ставляет всего 10^-17 – 10^-18 Вт. Но ощущение вспышки можно вызвать и при механическом воздействии на глаз (это явление называют механическим фосфеном); в этом случае мощность раздражителя должна быть не менее 10^-4 Вт. Этот пример демонстрирует разницу между адекват­ным и неадекватным раздражителем.

Общий принцип работы сенсорных систем. Он зак­лючается в том, что деятельность любой сенсорной систе­мы начинается с восприятия сигнала соответствующими (по модальности) сенсорными рецепторами внешней для

мозга физической и химической энергии, трансформации ее в нервные импульсы и передачи их в мозг через цепи нейронов, образующих ряд уровней.

Процесс передачи сенсорного сообщения сопровож­дается многократным преобразованием и перекодировани­ем и завершается общим анализом и синтезом (опознава­нием образа). После этого происходит выбор или разра­ботка программы ответной реакции организма. Таким об­разом, с физиологической точки зрения сенсорная систе­ма выполняет такие основные функции, или операции, с сигналами как их обнаружение, различение, кодирование информации о сигнале, ее передачу и преобразование; де­тектирование признаков; опознание образов. Обнаруже­ние и первичное различение сигналов обеспечивается ре­цепторами, а детектирование и опознание сигналов - нейронами коры больших полушарий. Передачу, преобра­зование и кодирование сигналов осуществляют нейроны всех слоев сенсорных систем.

С точки зрения теории информации, для любых уст­ройств, в которых происходит переработка информации, необходима быстрота передачи информации, точность ее передачи (помехоустойчивость), а также возможность ко­дирования и декодирования информации. В живых систе­мах для получения такого комплекса положительных эф­фектов возникла система передачи информации двойнич­ным кодом (да - нет), в которой в качестве слова «да» используется наличие потенциала действия, а в качестве «нет» - его отсутствие. В общем виде работа анализато­ра заключается в том, чтобы в рецепторах закодировать информацию о сигнале внешней или внутренней среды, а в нейронах мозга провести декодирование информации и превращение ее в факт осознаваемого (ощущение).

Для изуче­ния сенсорных систем используют различные методы, включая электрофизиологические, нейрохимические, пове­денческие и морфологические, а также психофизиологи­ческий анализ восприятия у здорового и больного чело­века.

При изучении сенсорных систем применяется биофи­зическое или математическое (компьютерное) моделирова­ние, а также протезирование. Эти методы имеют как тео­ретическое значение, так и прикладное. Например, разра­ботка электрофосфенового зрительного протеза дает воз­можность восстановить зрительное восприятие у слепых людей за счет преобразования светового сигнала в элект­рические стимулы зрительной области коры больших по­лушарий головного мозга.