Людвиг ван Бетховен начал терять слух в возрасте 28 лет и оглох к 44 годам. Хотя причина его потери слуха остается предметом научных дебатов и постоянных пересмотров, ясно одно: несмотря на потерю слуха, Бетховен никогда не переставал сочинять музыку, вероятно, потому, что он мог ощущать вибрации музыкальных инструментов и «слышать» музыку посредством осязания, полагают исследователи.
Новое исследование, проведенное учеными Гарвардской медицинской школы, может помочь объяснить, что позволило Бетховену и другим музыкантам развить чрезвычайно тонкое чувство осязания после потери слуха.
Результаты, основанные на экспериментах на мышах и опубликованные в Cell, предлагают новый заманчивый ключ к тому, как и почему ослабление одного чувства усиливает другое. Они также добавляют удивительный новый поворот в наше понимание того, как мозг и тело работают синхронно, чтобы обрабатывать несколько ощущений одновременно.
Исследование выявило область мозга, называемую нижним холмиком, которая до сих пор изучалась в основном из-за ее роли в обработке звука, а также участвует в обработке тактильных сигналов, включая механические вибрации, воспринимаемые нервными окончаниями на коже.
Эксперименты команды показывают, что высокочастотные механические вибрации, улавливаемые сверхчувствительными механорецепторами в коже, называемыми тельцами Пачини, направляются не только в соматосенсорную кору — область мозга, где обрабатываются телесные ощущения. Вместо этого, как показало исследование, эти сигналы в основном направляются от тела к нижнему холмику в среднем мозге.
«Это очень удивительное открытие, которое противоречит каноническому взгляду на то, где и как тактильные ощущения обрабатываются в мозге», — сказал автор исследования профессор Дэвид Джинти. «Мы обнаружили, что область в нижнем холмике среднего мозга обрабатывает вибрации, будь то вибрации в форме звуковых волн, действующих на внутреннее ухо, или механические вибрации, действующие на кожу. Когда слуховые и механические сигналы вибрации сходятся в этой области мозга, они усиливают сенсорный опыт, делая его более заметным».
Способность улавливать вибрации позволяет организмам во всем животном мире воспринимать и реагировать на едва заметные изменения в окружающей среде, например, обнаруживать и избегать угроз, что имеет решающее значение для выживания.
Например, змеи обнаруживают движение как добычи, так и хищников, прижимая челюсти к земле, чтобы уловить тонкие вибрации. Способность ощущать вибрации также имеет решающее значение для развития и совершенствования более сложных адаптаций, таких как нейронная перестройка мозга, которая происходит после потери одного ощущения для усиления другого — например, все более острое чувство слуха, которое развивается после потери зрения.
Исследователи говорят, что новые результаты особенно актуальны в этом последнем контексте — нейронной перестройке, которая происходит после потери одного чувства. Эти идеи могут помочь в разработке протезов, которые увеличивают тактильную чувствительность у людей с потерей слуха.
«Устройства, преобразующие звуки в тактильные вибрации в диапазоне частот Пачини, могут предоставить людям большую способность воспринимать и ощущать звук», — сказал Джинти. «Такие устройства можно размещать по всему телу и в непосредственной близости от нейронов Пачини, чтобы обеспечить вызываемые звуком механические вибрации различной частоты в кистях, руках, ступнях, ногах и теле».
Результаты подчеркивают роль нейронов Пачини как жизненно важного компонента соматосенсорной системы. Их уникальная и сложная структура является ключом к их необычайной чувствительности. Она позволяет им обнаруживать даже самые незначительные механические колебания. Каждое тельце Пачини состоит из одного нервного окончания в центре, окруженного слоями поддерживающих клеток, называемых пластинчатыми клетками.
Луковичные слои мембран пластинчатых клеток действуют как амортизаторы, позволяя тельцу Пачини точно и быстро реагировать на высокочастотные колебания, одновременно гася низкочастотные возмущения.
«Эволюция разместила эти рецепторы в разных местах животного мира, чтобы они соответствовали разным условиям окружающей среды», — говорит ведущий автор исследования Эрика Хьюи. «У людей эти рецепторы расположены глубоко под кожей кончиков пальцев и ступней, тогда как у слонов, например, высокая концентрация этих рецепторов наблюдается в ступнях и хоботах».
Действительно, исследования показали, что слоны способны обнаруживать мельчайшие сейсмические колебания через подушечки своих ног и кожу своего хобота. Однако до недавнего времени ученые не могли зарегистрировать активность нейронов Пачини у бодрствующего, свободно движущегося животного, что затрудняло получение полной картины того, насколько чувствительны эти нейроны на самом деле и какие стимулы вызывают их активацию.
Предыдущие исследования под руководством Йозефа Туречека, научного сотрудника лаборатории Джинти, показали, что нейроны Пачини настолько чувствительны, что могут улавливать даже такие слабые механические вибрации, как те, которые возникают при движении пальца по поверхности, даже на расстоянии нескольких метров.
Новое исследование основывается на предыдущей работе по изучению того, как сигналы от телец Пачини передаются и обрабатываются в мозге. Исследователи передавали механические вибрации различной частоты конечностям мышей или платформе, на которой они стояли, используя механический стимулятор, одновременно регистрируя активность нейронов в областях мозга, участвующих в сенсорной обработке.
Сравнив реакции нейронов, расположенных в двух различных областях мозга, исследователи обнаружили, что нейроны в вентральном заднебоковом ядре таламуса (VPL) — ретрансляционной станции для сенсорной информации до того, как она достигнет соматосенсорной коры — были более чувствительны к низкочастотным колебаниям. Напротив, нейроны в латеральной коре нижних холмиков преимущественно реагировали на высокочастотные колебания.
Чтобы изучить роль двух типов механорецепторов кожи — телец Пачини и телец Мейсснера — в различных реакциях двух областей мозга на высокочастотные и низкочастотные вибрации, группа исследователей изучала генетически модифицированных мышей, у которых отсутствуют либо тельца Пачини, либо тельца Мейсснера.
У мышей без телец Пачини нейроны в нижних холмиках четверохолмия продемонстрировали заметное снижение реакции на высокочастотные вибрации, что позволяет предположить, что тельца Пачини играют ключевую роль в передаче высокочастотных вибраций в эту область.
Когда исследователи подвергли мышей воздействию белого шума вместо механических вибраций, они обнаружили, что нейроны в нижнем холмике также отреагировали, что позволяет предположить, что эта область обрабатывает как слуховые, так и соматосенсорные стимулы.
«На самом деле мы наблюдали, что нейроны в нижних холмиках сильнее реагировали на комбинированную тактильно-слуховую стимуляцию, чем на каждую из них по отдельности», — сказал Джинти.
По словам Джинти, эта интеграция звука и осязания в нижнем холмике среднего мозга помогает объяснить, как мы можем одновременно слышать и физически ощущать музыку на концерте, делая объединенный сенсорный опыт более глубоким.
С эволюционной точки зрения это явление, вероятно, необходимо для выживания, и более глубокое изучение этого явления может помочь в лечении таких состояний, как аутизм и хроническая невропатия, при которых дисфункция приводит к гиперчувствительности к прикосновениям.
В будущих исследованиях ученые намерены выяснить, являются ли эти результаты ключом к способности мозга к адаптации, в частности, исследуя, развивают ли организмы повышенную чувствительность к восприятию вибрации в качестве компенсаторного механизма в случаях потери слуха.
