В нервной системе кодирование информации главным образом осуществляется при помощи нервных импульсов (потенциалов действия). Т.к. амплитуда потенциала действия, генерируемого определенным нейроном, постоянна (закон «все или ничего»), кодировка происходит за счет изменения частоты импульсов, их количества, интервала между пачками (группами импульсов, следующих с относительно постоянной частотой).
На уровне рецептора, как правило, кодируются сила и некоторые качественные характеристики раздражителя.
Для каждого вида рецепторов существует свой адекватный раздражитель, т.е. раздражитель, к энергии которого рецептор наиболее чувствителен. Адекватный раздражитель может вызвать реакцию рецептора, обладая даже очень небольшим количеством энергии. Например, всего один фотон света изменяет состояние фоторецептора. Минимальная интенсивность адекватного раздражителя, которая приводит к реакции рецептора и генерации потенциала действия, называется абсолютным порогом чувствительности рецептора. Стимулы с еще меньшей интенсивностью являются подпороговыми. Однако рецептор можно возбудить и неадекватным раздражителем. В этом случае пороговая сила раздражителя будет гораздо больше. Например, при надавливании на глазное яблоко могут возникнуть зрительные ощущения.
Итак, в ответ на действие раздражителя рецептор генерирует рецепторный потенциал. Этот потенциал градуален, т.е. в зависимости от силы раздражителя он может быть больше или меньше. Отдельные рецепторные потенциалы, возникающие в разных частях рецептора (например, на разных ветвях дендрита), могут суммироваться.
Таким образом, сила раздражителя в первую очередь определяется частотой импульсов, распространяющихся по чувствительному нерву. Кроме того, при повышении интенсивности сигнала увеличивается число сенсорных волокон, проводящих импульсы (за счет вовлечения в реакцию рецепторов с более высоким порогом).
Кодировка некоторых других характеристик раздражителя возможна благодаря существованию в нервной системе так называемых топических отношений. В сенсорных системах это заключается в следующем.
Обычно рецепторы, принадлежащие одной сенсорной системе, занимают определенный участок тела. Например, сетчатка или поверхность кожи представляют собой плоскости, на которые проецируются внешние воздействия. Зона расположения определенных рецепторов называется рецептивной поверхностью. Так, сетчатка – рецептивная поверхность зрительного анализатора. От каждой точки этой поверхности передается сигнал в определенную точку ЦНС, причем сигналы от соседних точек рецептивной поверхности проецируются в соседние точки ЦНС. Такую параллельность в передаче информации и называют топическими отношениями (греч. topos – место) в ЦНС или принципом меченой линии.
В результате каждая точка рецептивной поверхности имеет свое отображение на всех уровнях ЦНС, где формируются «карты» рецептивной поверхности. Правда, пропорции в этих картах искажены: площадь в ЦНС, на которую проецируется определенная часть рецептивной поверхности, пропорциональна плотности расположения рецепторов на этом участке, а не его площади (рис. 4). Благодаря топическим отношениям кодируются качественные характеристики стимула. Это происходит потому, что возбуждение определенных точек рецептивной поверхности приводит к возбуждению строго определенных участков ЦНС.
Пользуясь технической терминологией можно сказать, что место воздействия раздражителя на рецептивную поверхность кодируется «номером канала» – номером нервного волокна в соответствующем чувствительном нерве. При некоторых заболеваниях, передозировке лекарственных препаратов, под действием наркотиков сенсорные каналы могут «перепутываться». В этом случае реально действующие сенсорные сигналы воспринимаются человеком искаженно. Более того, они могут восприниматься даже другими сенсорными системами, например, вкусовое воздействие вызывает зрительные ощущения и т.п.
Итак, уже на уровне рецепторов кодируются интенсивность и качественные характеристики поступающих сигналов.
Сигналы от рецепторов направляются в ЦНС, где переключаются через ряд сенсорных центров, перерабатываются, анализируются и сопоставляются с другими видами информации. В каждом центре информация проходит через сеть нейронов, соединяющихся по принципам как дивергенции (расхождения), так и конвергенции (схождения) (рис.5). Дивергенция сенсорных сигналов в ЦНС приводит к тому, что каждый сигнал от рецепторов передается по нескольким параллельным каналам, что повышает надежность передачи и позволяет быстрее перерабатывать информацию. В результате конвергенции сенсорных сигналов оказывается, что для каждого сенсорного нейрона ЦНС существует определенное число рецепторов, способных влиять на его активность. Совокупность этих рецепторов называется рецептивным полем нейрона. Чем «выше», т.е. ближе к коре больших полушарий, сенсорный центр, тем сложнее рецептивные поля составляющих его нейронов. При этом возникают ситуации, когда нейрон реагирует на так называемый сложный сенсорный образ, формирующийся в результате конвергенции сигналов от разных сенсорных нейронов. Примерами таких нейронов могут быть нервные клетки, обеспечивающие «узнавание» слов или музыкальных аккордов, геометрических фигур и т. п. Более того, множество объектов внешнего мира воспринимается одновременно несколькими различными сенсорными системами, благодаря тому, что на нейроны ассоциативных зон коры конвергируют сигналы от сенсорных нейронов этих систем. Например, мы воспринимаем образ человека и с помощью зрительной сенсорной системой (внешний вид), и слуховой сенсорной системой (голос), и обонятельной (запах) и т.д.
Если каналы передают информацию от рецепторов одного типа, их называют специфическими или мономодальными. Если же в канале проходит информация от нескольких типов РЦ, то это неспецифический модальный канал. Кроме того, во всех каналах существуют обратные связи, т.е. эфферентные (центробежные) пути, с помощью которых центры более высокого уровня влияют на нижележащие центры. Надо не забывать, что на разных уровнях ЦНС от проводящих волокон каждой сенсорной системы отходят коллатерали к нейронам ретикулярной формации.
В результате деятельности сенсорных систем мы получаем внутренне осознаваемый образ стимула. Процесс формирования внутреннего образа называется восприятием (перцепцией). Для каждого стимула существует свой порог восприятия (ощущения). Такие пороги всегда выше абсолютного порога чувствительности рецептора, и для того чтобы стимул был воспринят, должна суммироваться реакция нескольких рецепторов. Например, для восприятия зрительного стимула должно одновременно прореагировать не менее семи зрительных рецепторов. Чем выше в ЦНС (ближе к коре больших полушарий) расположен обрабатывающий информацию центр, тем выше его пороги чувствительности. Порог осознания (восприятия) наиболее высок.
При определенной интенсивности сигнала он может восприниматься подкорковыми и корковыми сенсорными зонами, но не «привлекать внимания» центров сознания. В таком случае говорят о неосознанно действующих стимулах. У человека возможна выработка субсенсорного условного рефлекса.
Корковый анализ сенсорной информации начинается в соответствующих проекционных зонах коры больших полушарий. Затем она поступает в ассоциативные зоны коры, где сопоставляется с образами, хранящимися в памяти. В результате происходит её узнавание. Процессы восприятия и осознания зависят от множества факторов (внимание, эмоции и т.п.).
Сенсорные нейронные сети настолько сложны, что обычно существуют клетки, избирательно связанные не только с определенным качеством или признаком, но и с определенным образом. Каждый образ вызывает только ему присущий рисунок (паттерн) активации нейронных сетей. В случае разных образов паттерны могут перекрываться, но все же остаются достаточно индивидуальными для очень сложных актов различения – например, узнавание знакомого лица в толпе.
Восприятие раздражителя тесно связано с его физическими характеристиками. Закономерности этих связей изучаются главным образом психофизическими методами. Исследование законов восприятия представляет достаточно большую сложность, т.к. в большинстве случаев основано на субъективных отчетах испытуемых, восприятие которыми различных раздражителей может существенно отличаться. Кроме того, значительную трудность представляет сопоставление восприятия различных сенсорных модальностей.
Одни из основных понятий психофизики – понятия абсолютного и дифференциального порогов. Абсолютный порог восприятия раздражителя – это наименьшая интенсивность стимула, вызывающая ощущение. Надо иметь в виду, что абсолютный порог может меняться в зависимости от физических характеристик раздражителя. Например, слуховые пороги зависят от частоты звука. Дифференциальный порог – порог различения по амплитуде или по качеству, т.е. это минимальная величина, на которую должны отличаться два раздражителя, чтобы они воспринимались как различные.
Зрение – это физиологический процесс получения животными организмами информации о внешнем мире в результате улавливания электромагнитных излучений в диапазоне волн 300-800 нм, близком к диапазону видимого света. Зрение свойственно большинству беспозвоночных и позвоночных животных и является одним из основных способов ориентации в пространстве. Разные виды воспринимают свет в разных диапазонах. У человека это 400-750 нм, у пчелы – 300-650 нм (видит ультрафиолетовые лучи, но не воспринимает красный цвет), у обитателей водной среды – лишь 500-600 нм (из-за фильтрации излучения толщей воды).
Способностью реагировать на изменение интенсивности света обладают уже одноклеточные организмы, которые могут удаляться и приближаться к источнику света. У многоклеточных животных в ходе эволюции формируется особая сенсорная зрительная система (зрительный анализатор), состоящая из органов зрения, проводящих нервов и отделов центральной нервной системы, которые обеспечивают обработку получаемой информации.
Периферическим отделом зрительного анализатора является глаз, состоящий из глазного яблока и окружающих его вспомогательных органов. Глаз расположен в глазнице черепа.
В процессе эмбрионального развития глаза образуются как выпячивание боковых стенок промежуточного мозга. Такие выпячивания образуют глазные пузырьки, сообщающиеся с мозгом с помощью глазного стебелька. Из последнего образуется зрительный нерв, а из глазного пузырька – внутренняя оболочка глазного яблока сетчатка. Т.о. сетчатка имеет нервное происхождение и, как и все нейроны, развивается из наружного зародышевого листка – эктодермы. Остальные оболочки глазного яблока (сосудистая, роговица, склера) – соединительнотканные и развиваются из среднего зародышевого листка – мезодермы.
Глазное яблоко (рис. 6) расположено в глазнице черепа и имеет три оболочки, окружающие ядро глаза:
1. Фиброзная (наружная) оболочка образована плотной соединительной тканью и выполняет защитную функцию. Эта оболочка состоит из двух частей – прозрачной роговицы (спереди) и непрозрачной склеры (сзади).
2. Сосудистая оболочка – средняя оболочка глазного яблока; она содержит кровеносные сосуды, мышцы, пигментные клетки и лежит сразу же под склерой. В сосудистой оболочке выделяют три отдела – собственно сосудистую оболочку, ресничное тело и радужную оболочку.
Собственно сосудистая оболочка – задний, самый больший отдел сосудистой оболочки. Она содержит кровеносные сосуды, питающие сетчатку.
Радужная оболочка или радужка – передняя часть сосудистой оболочки; она содержит пигментные клетки и мышечные волокна. Пигментные клетки радужной оболочки обусловливают цвет глаз, зависящий от количества пигмента. В центре радужной оболочки находится отверстие – зрачок. Радужная оболочка играет ту же роль, что и диафрагма фотоаппарата. Благодаря сужению и расширению зрачка на сетчатку глаза попадает меньшее или большее количество света. Мышечная ткань радужки состоит из гладкомышечных волокон и сокращается непроизвольно. Регуляция диаметра зрачка осуществляется вегетативной нервной системой, причем симпатические влияния расширяют его просвет, а парасимпатические – сужают.
Ресничное тело кроме сосудов включает в себя кольцевую ресничную мышцу, которая прикрепляется к хрусталику по его периметру при помощи специальных связок и регулирует его кривизну. Регулируют сокращения ресничной мышцы в основном парасимпатические волокна. Немышечная часть ресничного тела выделяет жидкость – влагу камер (см. ниже).
3. Сетчатка – внутренняя оболочка глазного яблока. Она прилежит к сосудистой оболочке на всем ее протяжении вплоть до зрачка. В сетчатке находятся фоторецепторы – палочки и колбочки – и нервные клетки.
Внутреннее ядро глаза состоит из светопроводящих стекловидного тела и хрусталика, а также водянистой влаги, наполняющей глазные камеры и служащей для питания безсосудистых образований глаза.
Хрусталик – двояковыпуклое прозрачное тело, расположенное внутри глазного яблока позади радужки и способное менять свою кривизну. Хрусталик удерживается в своем положении специальными связками, идущими к нему от ресничной мышцы. Основная функция хрусталика – преломление световых лучей (рефракция), которое осуществляется таким образом, чтобы изображение фокусировалось точно на сетчатку. При изменении кривизны хрусталика меняется его преломляющая способность и достигается аккомодация – приспособление к одинаково четкому видению предметов, находящихся на разных расстояниях (наводка на резкость). При рассматривании близкого предмета хрусталик становится более выпуклым, а удаленных предметов более плоским.
Известны три основные аномалии преломления лучей в глазу – близорукость, или миопия, дальнозоркость, или гиперметропия и старческая дальнозоркость (пресбиопия). При всех этих аномалиях преломляющая сила и длина глазного яблока не согласуются между собой, в отличие от глаза с нормальным зрением (рис. 7). Близорукость – аномалия рефракции глаза, при которой фокус оптической системы глаза находится перед сетчаткой, в стекловидном теле. Т.е. при близорукости продольная ось глаза слишком длинная. У близоруких людей самая дальняя точка ясного видения находится ближе, чем в норме. Чтобы хорошо видеть вдали, таким людям нужны очки с вогнутыми линзами. Противоположностью близорукости является дальнозоркость. В этом случае продольная ось глаза укорочена. В результате фокус изображения оказывается за сетчаткой, и ближайшая точка ясного видения находится дальше, чем у здоровых людей. Для коррекции дальнозоркости надо носить очки с выпуклыми линзами. При старческой дальнозоркости длина глазного яблока не меняется. Дефект зрения возникает за счет того, что с возрастом хрусталик становится менее эластичным, и при ослаблении натяжения связок хрусталика его выпуклость или не меняется, или увеличивается лишь незначительно.
Еще одна патология, связанная с нарушением рефракции носит название астигматизм. Он связан с различиями кривизны роговицы в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Это приводит к зависимости преломляющей силы роговицы от угла падения лучей. Небольшой астигматизм является физиологическим, т.е. он характерен и для нормального глаза. При выраженном астигматизме коррекция зрения осуществляется при помощи специальных линз.
Хрусталик глаза состоит из очень необычных клеток (хрусталиковых волокон), потерявших ядра и органоиды и содержащих большое количество белка кристаллина. Хрусталик не содержит сосудов и нервных волокон. Его рост прекращается в возрасте трех лет. В дальнейшем происходит постепенная потеря хрусталиком воды, в результате чего его объем уменьшается.
У пожилых людей содержание воды в хрусталике может снизиться до такой степени, что он становится непрозрачным, и тогда развивается слепота. Такое заболевание называется катаракта.
Стекловидное тело – прозрачное студенистое содержимое глазного яблока, расположенное между хрусталиком и сетчаткой. Стекловидное тело также лишено кровеносных сосудов и представляет собой аморфное межклеточное вещество желеобразной консистенции.
Передняя камера глазного яблока – пространство между роговицей и радужкой. Задняя камера глазного яблока – пространство между радужкой и хрусталиком. Обе камеры заполнены водянистой влагой и сообщаются через зрачок. Давление внутри глазного яблока зависит от количества влаги. Если ее отток затруднен, внутриглазное давление повышается, и развивается заболевание глаукома.