В физиологии стимул [1] — это обнаруживаемое изменение физической или химической структуры внутренней или внешней среды организма . Способность организма или органа обнаруживать внешние раздражители, чтобы можно было произвести соответствующую реакцию, называется чувствительностью ( возбудимостью ). [2] Сенсорные рецепторы могут получать информацию извне тела, например, рецепторы осязания, находящиеся на коже, или световые рецепторы в глазах, а также изнутри тела, например, хеморецепторы и механорецепторы . Когда стимул обнаруживается сенсорным рецептором, он может вызвать рефлекс посредством передачи стимула . Внутренний стимул часто является первым компонентом системы гомеостатического контроля . Внешние раздражители способны вызывать системные реакции во всем организме, например реакцию «бей или беги» . Чтобы стимул был обнаружен с высокой вероятностью, уровень его силы должен превышать абсолютный порог ; если сигнал действительно достигает порога, информация передается в центральную нервную систему (ЦНС), где она интегрируется и принимается решение о том, как реагировать. Хотя стимулы обычно вызывают реакцию организма, именно ЦНС окончательно определяет, вызывает ли сигнал реакцию или нет.
Гомеостатические дисбалансы являются основной движущей силой изменений организма. Эти стимулы внимательно контролируются рецепторами и сенсорами в различных частях тела. Эти сенсоры представляют собой механорецепторы , хеморецепторы и терморецепторы , которые реагируют соответственно на давление или растяжение, химические изменения или изменения температуры. Примеры механорецепторов включают барорецепторы , которые обнаруживают изменения артериального давления, диски Меркеля , которые могут обнаруживать длительное прикосновение и давление, и волосковые клетки , которые обнаруживают звуковые стимулы. Гомеостатические дисбалансы, которые могут служить внутренними стимулами, включают уровни питательных веществ и ионов в крови, уровень кислорода и уровень воды. Отклонения от гомеостатического идеала могут вызвать гомеостатические эмоции , такие как боль, жажда или усталость, которые мотивируют поведение, которое приведет тело к стазису (например, абстиненция, питье или отдых). [3]
Кровяное давление, частота сердечных сокращений и сердечный выброс измеряются рецепторами растяжения, расположенными в сонных артериях . Нервы внедряются в эти рецепторы, и когда они обнаруживают растяжение, они стимулируются и запускают потенциалы действия в центральную нервную систему . Эти импульсы тормозят сужение кровеносных сосудов и снижают частоту сердечных сокращений. Если эти нервы не обнаруживают растяжения, организм определяет пониженное артериальное давление как опасный раздражитель и сигналы не посылаются, препятствуя торможению действия ЦНС; Кровеносные сосуды сужаются, а частота сердечных сокращений увеличивается, вызывая повышение кровяного давления в организме. [4]
Сенсорные ощущения, особенно боль, являются стимулами, которые могут вызвать сильную реакцию и вызвать неврологические изменения в организме. Боль также вызывает поведенческие изменения в организме, которые пропорциональны интенсивности боли. Ощущение регистрируется сенсорными рецепторами на коже и передается в центральную нервную систему , где оно интегрируется и принимается решение о том, как реагировать; если решено, что необходимо дать ответ, сигнал отправляется обратно в мышцу, которая ведет себя соответствующим образом в зависимости от стимула. [3] Постцентральная извилина — это место расположения первичной соматосенсорной области , основной сенсорной рецептивной области осязания . [5]
Болевые рецепторы известны как ноцицепторы . Существуют два основных типа ноцицепторов : ноцицепторы A-волокон и ноцицепторы C-волокон . Рецепторы А-волокон миелинизированы и быстро проводят ток. В основном их используют для проведения быстрых и острых видов боли. И наоборот, рецепторы С-волокон немиелинизированы и передают сигнал медленно. Эти рецепторы проводят медленную, жгучую, диффузную боль. [6]
Абсолютный порог прикосновения — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать реакцию рецепторов прикосновения. Это ощущение имеет поддающуюся определению величину и часто считается силой, возникающей при падении крыла пчелы на щеку человека с расстояния одного сантиметра. Это значение будет меняться в зависимости от того, к какой части тела прикасаются. [7]
Зрение дает мозгу возможность воспринимать и реагировать на изменения, происходящие вокруг тела. Информация или стимулы в виде света попадают на сетчатку , где возбуждают особый тип нейронов , называемый фоторецепторной клеткой . Локальный градуированный потенциал начинается в фоторецепторе, где он возбуждает клетку настолько, что импульс передается через ряд нейронов в центральную нервную систему . Когда сигнал проходит от фоторецепторов к более крупным нейронам, должны создаваться потенциалы действия , чтобы сигнал имел достаточную силу для достижения ЦНС. [4] Если стимул не требует достаточно сильной реакции, говорят, что он не достигает абсолютного порога и организм не реагирует. Однако, если стимул достаточно силен, чтобы создать потенциал действия в нейронах, расположенных вдали от фоторецептора, организм интегрирует информацию и отреагирует соответствующим образом. Визуальная информация обрабатывается в затылочной доле ЦНС, в частности в первичной зрительной коре . [4]
Абсолютный порог зрения — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать реакцию фоторецепторов глаза. Это количество ощущений имеет поддающуюся определению величину и часто считается количеством света, исходящего от человека, держащего одну свечу на расстоянии 30 миль, если глаза человека приспособлены к темноте . [7]
Обоняние позволяет организму распознавать химические молекулы в воздухе при вдыхании. Органы обоняния , расположенные по обе стороны носовой перегородки , состоят из обонятельного эпителия и собственной пластинки . Обонятельный эпителий, содержащий обонятельные рецепторные клетки, покрывает нижнюю поверхность решетчатой пластинки , верхнюю часть перпендикулярной пластинки, верхнюю носовую раковину. Лишь примерно два процента вдыхаемых соединений переносятся в органы обоняния в виде небольшой пробы вдыхаемого воздуха. Обонятельные рецепторы простираются за пределы эпителиальной поверхности, обеспечивая основу для множества ресничек, лежащих в окружающей слизи. Белки, связывающие запахи, взаимодействуют с этими ресничками , стимулируя рецепторы. Одоранты обычно представляют собой небольшие органические молекулы. Большая растворимость в воде и липидах напрямую связана с более сильным запахом одорантов. Связывание одоранта с рецепторами, связанными с G-белком, активирует аденилатциклазу , которая превращает АТФ в лагерь. цАМФ , в свою очередь, способствует открытию натриевых каналов, что приводит к локализованному потенциалу. [8]
Абсолютный порог обоняния — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать реакцию рецепторов носа. Это количество ощущений имеет определимую ценность и часто считается одной каплей духов в доме с шестью комнатами. Это значение будет меняться в зависимости от того, какое вещество нюхается. [7]
Вкус фиксирует вкус пищи и других материалов, проходящих через язык и рот. Вкусовые клетки расположены на поверхности языка и прилегающих участках глотки и гортани . Вкусовые клетки формируются на вкусовых сосочках , специализированных эпителиальных клетках , и обычно обновляются каждые десять дней. Из каждой клетки через вкусовую пору в полость рта выходят микроворсинки, иногда называемые вкусовыми волосками. Растворенные химические вещества взаимодействуют с этими рецепторными клетками; разные вкусы связываются со специфическими рецепторами. Рецепторы соли и кислоты представляют собой химически управляемые ионные каналы, которые деполяризуют клетку. Рецепторы сладкого, горького и умами называются густдуцинами , специализированными рецепторами, связанными с G-белком . Оба отдела рецепторных клеток высвобождают нейромедиаторы к афферентным волокнам, вызывая срабатывание потенциала действия . [8]
Абсолютный порог вкуса — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать реакцию рецепторов во рту. Это количество ощущений имеет поддающуюся определению ценность и часто считается одной каплей сульфата хинина на 250 галлонов воды. [7]
Изменения давления, вызванные звуком, достигающим наружного уха, резонируют в барабанной перепонке , которая сочленяется со слуховыми косточками или костями среднего уха. Эти крошечные косточки усиливают эти колебания давления, передавая возмущение в улитку — спиральную костную структуру во внутреннем ухе. Волосковые клетки в улитковом канале, особенно в кортиевом органе , отклоняются, когда волны жидкости и движения мембран проходят через камеры улитки. Биполярные сенсорные нейроны, расположенные в центре улитки, отслеживают информацию от этих рецепторных клеток и передают ее в ствол мозга через улитковую ветвь черепного нерва VIII . Звуковая информация обрабатывается в височной доле ЦНС, а именно в первичной слуховой коре . [8]
Абсолютный порог звука — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать реакцию рецепторов в ушах. Это ощущение имеет определенную ценность и часто рассматривается как тиканье часов в беззвучной обстановке на расстоянии 20 футов. [7]
Полукруглые каналы, соединенные непосредственно с улиткой , могут интерпретировать и передавать в мозг информацию о равновесии тем же методом, что и для слуха. Волосковые клетки в этих частях уха выступают киноцилии и стереоцилии в студенистый материал, выстилающий протоки этого канала. В некоторых частях этих полукруглых каналов, особенно в пятнах, на поверхности этого желеобразного материала лежат кристаллы карбоната кальция, известные как статоконии. При наклоне головы или когда тело подвергается линейному ускорению, эти кристаллы перемещаются, нарушая реснички волосковых клеток и, следовательно, влияя на высвобождение нейромедиатора, который поглощается окружающими сенсорными нервами. В других областях полукруглого канала, особенно в ампуле, структура, известная как купула, аналогичная студенистому материалу в пятнах, искажает волосковые клетки аналогичным образом, когда окружающая ее жидкая среда заставляет саму купулу двигаться. Ампула передает в мозг информацию о горизонтальном вращении головы. Нейроны соседних вестибулярных ганглиев контролируют волосковые клетки в этих протоках. Эти чувствительные волокна образуют вестибулярную ветвь VIII черепного нерва . [8]
В общем, клеточный ответ на стимулы определяется как изменение состояния или активности клетки с точки зрения движения, секреции, выработки ферментов или экспрессии генов. [9] Рецепторы на поверхности клеток — это чувствительные компоненты, которые отслеживают стимулы и реагируют на изменения в окружающей среде, передавая сигнал в центр управления для дальнейшей обработки и реагирования. Стимулы всегда преобразуются в электрические сигналы посредством трансдукции . Этот электрический сигнал, или рецепторный потенциал , проходит определенный путь через нервную систему, чтобы инициировать систематический ответ. Каждый тип рецептора специализирован реагировать преимущественно только на один вид энергии стимула, называемый адекватным стимулом . Сенсорные рецепторы имеют четко определенный диапазон стимулов, на которые они реагируют, и каждый из них настроен на конкретные потребности организма. Стимулы передаются по всему телу посредством механотрансдукции или хемотрансдукции, в зависимости от природы стимула. [4]
Предполагается, что в ответ на механический стимул клеточными сенсорами силы являются молекулы внеклеточного матрикса, цитоскелет, трансмембранные белки, белки на границе раздела мембрана-фосфолипид, элементы ядерного матрикса, хроматин и липидный бислой. Реакция может быть двоякой: например, внеклеточный матрикс является проводником механических сил, но на его структуру и состав также влияют клеточные реакции на те же самые приложенные или эндогенно генерируемые силы. [10] Механочувствительные ионные каналы обнаружены во многих типах клеток, и было показано, что на проницаемость этих каналов для катионов влияют рецепторы растяжения и механические стимулы. [11] Эта проницаемость ионных каналов является основой преобразования механического стимула в электрический сигнал.
Химические стимулы, такие как запахи, воспринимаются клеточными рецепторами, которые часто связаны с ионными каналами, ответственными за хемотрансдукцию. Так обстоит дело с обонятельными клетками . [12] Деполяризация в этих клетках возникает в результате открытия неселективных катионных каналов при связывании одоранта со специфическим рецептором. Рецепторы, связанные с G-белком, на плазматической мембране этих клеток могут инициировать пути вторичного мессенджера, которые вызывают открытие катионных каналов.
В ответ на стимулы сенсорный рецептор инициирует сенсорную трансдукцию, создавая градуированные потенциалы или потенциалы действия в той же клетке или в соседней. Чувствительность к стимулам достигается путем химической амплификации через пути вторичного мессенджера, в которых ферментативные каскады производят большое количество промежуточных продуктов, увеличивая эффект одной молекулы рецептора. [4]
Хотя рецепторы и стимулы различаются, большинство внешних стимулов сначала генерируют локализованные градуированные потенциалы в нейронах, связанных с конкретным сенсорным органом или тканью. [8] В нервной системе внутренние и внешние раздражители могут вызывать две разные категории реакций: возбуждающую реакцию, обычно в форме потенциала действия , и тормозную реакцию. [13] Когда нейрон стимулируется возбуждающим импульсом, дендриты нейронов связываются нейротрансмиттерами , которые заставляют клетку становиться проницаемой для определенного типа ионов; тип нейромедиатора определяет, для какого иона нейромедиатор станет проницаемым. При возбуждающих постсинаптических потенциалах генерируется возбуждающий ответ. Это вызвано возбуждающим нейромедиатором, обычно глутаматом, связывающимся с дендритами нейрона, вызывающим приток ионов натрия через каналы, расположенные рядом с местом связывания.
Это изменение проницаемости мембраны в дендритах известно как локальный градуированный потенциал и приводит к изменению мембранного напряжения с отрицательного потенциала покоя на более положительное напряжение, процесс, известный как деполяризация . Открытие натриевых каналов позволяет открыться близлежащим натриевым каналам, позволяя изменению проницаемости распространиться от дендритов к телу клетки . Если градуированный потенциал достаточно силен или если несколько градуированных потенциалов возникают с достаточно высокой частотой, деполяризация может распространиться по телу клетки к бугорку аксона . Из бугорка аксона может генерироваться потенциал действия, который распространяется вниз по аксону нейрона , вызывая открытие каналов ионов натрия в аксоне по мере прохождения импульса. Как только сигнал начинает распространяться по аксону, мембранный потенциал уже превысил пороговое значение , а это означает, что его невозможно остановить. Это явление известно как реакция «все или ничего». Группы натриевых каналов, открывающиеся в результате изменения мембранного потенциала, усиливают сигнал по мере его распространения от бугорка аксона, позволяя ему перемещаться по всей длине аксона. Когда деполяризация достигает конца аксона или терминала аксона , конец нейрона становится проницаемым для ионов кальция, которые проникают в клетку через каналы ионов кальция. Кальций вызывает высвобождение нейротрансмиттеров, хранящихся в синаптических пузырьках , которые попадают в синапс между двумя нейронами, известными как пресинаптические и постсинаптические нейроны; если сигнал от пресинаптического нейрона является возбуждающим, это вызовет высвобождение возбуждающего нейромедиатора, вызывая аналогичную реакцию в постсинаптическом нейроне. [4] Эти нейроны могут взаимодействовать с тысячами других рецепторов и клеток-мишеней через обширные и сложные дендритные сети. Такая связь между рецепторами позволяет различать и более четко интерпретировать внешние стимулы. По сути, эти локализованные градуированные потенциалы запускают потенциалы действия, которые по своей частоте сообщаются вдоль нервных аксонов, в конечном итоге достигая определенных коры головного мозга. В этих также узкоспециализированных частях мозга эти сигналы координируются с другими, чтобы, возможно, вызвать новую реакцию. [8]
Если сигнал от пресинаптического нейрона является тормозным, то тормозные нейротрансмиттеры обычно выделяют ГАМК в синапс. [4] Этот нейромедиатор вызывает тормозящий постсинаптический потенциал в постсинаптическом нейроне. Этот ответ приведет к тому, что постсинаптический нейрон станет проницаемым для ионов хлора, что сделает мембранный потенциал клетки отрицательным; Отрицательный мембранный потенциал затрудняет запуск потенциала действия клеткой и предотвращает передачу любого сигнала через нейрон. В зависимости от вида раздражителя нейрон может быть как возбуждающим, так и тормозным. [14]
Нервы периферической нервной системы распространяются на различные части тела, включая мышечные волокна . Мышечное волокно и мотонейрон , с которым оно связано. [15] Место, в котором мотонейрон прикрепляется к мышечным волокнам, известно как нервно-мышечное соединение . Когда мышцы получают информацию от внутренних или внешних стимулов, мышечные волокна стимулируются соответствующим мотонейроном. Импульсы передаются из центральной нервной системы вниз по нейронам, пока не достигают двигательного нейрона, который высвобождает нейротрансмиттер ацетилхолин (АХ) в нервно-мышечный синапс. АХ связывается с никотиновыми рецепторами ацетилхолина на поверхности мышечной клетки и открывает ионные каналы, позволяя ионам натрия поступать в клетку, а ионам калия — выходить; это движение ионов вызывает деполяризацию, которая позволяет высвободить ионы кальция внутри клетки. Ионы кальция связываются с белками внутри мышечной клетки, обеспечивая сокращение мышц; конечный результат стимула. [4]
На эндокринную систему в значительной степени влияют многие внутренние и внешние раздражители. Одним из внутренних стимулов, вызывающих выброс гормонов , является кровяное давление . Гипотония , или низкое кровяное давление, является основной движущей силой выброса вазопрессина , гормона, вызывающего задержку воды в почках. Этот процесс также увеличивает жажду человека. Если из-за задержки жидкости или употребления жидкости кровяное давление человека возвращается к норме, высвобождение вазопрессина замедляется, и почки удерживают меньше жидкости. Гиповолемия или низкий уровень жидкости в организме также может выступать в качестве стимула, вызывающего эту реакцию. [16]
Адреналин , также известный как адреналин, также обычно используется для реагирования как на внутренние, так и на внешние изменения. Одной из частых причин выброса этого гормона является реакция «бей или беги» . Когда организм сталкивается с потенциально опасным внешним раздражителем, надпочечники выделяют адреналин . Адреналин вызывает физиологические изменения в организме, такие как сужение кровеносных сосудов, расширение зрачков, учащение пульса и дыхания, а также метаболизм глюкозы. Все эти реакции на одиночный стимул помогают защитить человека, независимо от того, принято ли решение остаться и сражаться или убежать и избежать опасности. [17] [18]
Пищеварительная система может реагировать на внешние раздражители, такие как вид или запах пищи, и вызывать физиологические изменения еще до того, как пища попадет в организм. Этот рефлекс известен как цефалическая фаза пищеварения . Вид и запах пищи являются достаточно сильными стимулами, чтобы вызвать слюноотделение, секрецию ферментов желудка и поджелудочной железы, а также секрецию эндокринной системы при подготовке к поступающим питательным веществам; начиная процесс пищеварения до того, как пища достигнет желудка, организм может более эффективно и результативно превращать пищу в необходимые питательные вещества. [19] Как только пища попадает в рот, вкус и информация от рецепторов во рту усиливают пищеварительную реакцию. Хеморецепторы и механорецепторы , активируемые при жевании и глотании, еще больше увеличивают высвобождение ферментов в желудке и кишечнике. [20]
Пищеварительная система также способна реагировать на внутренние раздражители. Только пищеварительный тракт или кишечная нервная система содержит миллионы нейронов. Эти нейроны действуют как сенсорные рецепторы, которые могут обнаруживать изменения в пищеварительном тракте, например, попадание пищи в тонкую кишку. В зависимости от того, что обнаруживают эти сенсорные рецепторы, из поджелудочной железы и печени могут выделяться определенные ферменты и пищеварительные соки, способствующие метаболизму и расщеплению пищи. [4]
Внутриклеточные измерения электрического потенциала через мембрану можно получить путем записи на микроэлектродах. Методы патч-клампа позволяют манипулировать внутриклеточной или внеклеточной концентрацией ионов или липидов, сохраняя при этом потенциал. Таким образом, можно оценить влияние различных условий на порог и распространение. [4]
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ) позволяют неинвазивно визуализировать активированные области мозга, когда испытуемый подвергается воздействию различных стимулов. Активность контролируется в отношении притока крови к определенной области мозга. [4]
Время отдергивания задних конечностей — еще один метод. Сорин Барак и др. в недавней статье, опубликованной в Журнале реконструктивной микрохирургии, отслеживали реакцию подопытных крыс на болевые стимулы, вызывая острый внешний тепловой стимул и измеряя время отдергивания задних конечностей (HLWT). [21]