В физиологии стимул [1] — это изменение во внутренней или внешней среде живого существа . Это изменение может быть обнаружено организмом или органом с помощью чувствительности и приводит к физиологической реакции. [2] Сенсорные рецепторы могут получать стимулы извне тела, как в случае с тактильными рецепторами, обнаруженными в коже, или световыми рецепторами в глазу, а также изнутри тела, как в случае с хеморецепторами и механорецепторами . Когда стимул обнаруживается сенсорным рецептором, он может вызвать рефлекс посредством передачи стимула . Внутренний стимул часто является первым компонентом гомеостатической системы контроля . Внешние стимулы способны вызывать системные реакции по всему телу, как в случае реакции «бей или беги» . Для того чтобы стимул был обнаружен с высокой вероятностью, его уровень силы должен превышать абсолютный порог ; Если сигнал достигает порога, информация передается в центральную нервную систему (ЦНС), где она интегрируется и принимается решение о том, как реагировать. Хотя стимулы обычно заставляют организм реагировать, именно ЦНС в конечном итоге определяет, вызывает ли сигнал реакцию или нет.
Гомеостатический дисбаланс является основной движущей силой изменений в организме. Эти стимулы тщательно отслеживаются рецепторами и датчиками в разных частях тела. Эти датчики — механорецепторы , хеморецепторы и терморецепторы , которые соответственно реагируют на давление или растяжение, химические изменения или изменения температуры. Примерами механорецепторов являются барорецепторы , которые обнаруживают изменения артериального давления, диски Меркеля , которые могут обнаруживать продолжительное прикосновение и давление, и волосковые клетки , которые обнаруживают звуковые стимулы. Гомеостатический дисбаланс, который может служить внутренним стимулом, включает уровни питательных веществ и ионов в крови, уровни кислорода и уровни воды. Отклонения от гомеостатического идеала могут вызывать гомеостатическую эмоцию , такую как боль, жажда или усталость, которая мотивирует поведение, которое вернет организм в состояние стазиса (например, отказ, питье или отдых). [3]
Артериальное давление, частота сердечных сокращений и сердечный выброс измеряются рецепторами растяжения, которые находятся в сонных артериях . Нервы встраиваются в эти рецепторы, и когда они обнаруживают растяжение, они стимулируются и запускают потенциалы действия в центральной нервной системе . Эти импульсы подавляют сужение кровеносных сосудов и снижают частоту сердечных сокращений. Если эти нервы не обнаруживают растяжение, организм определяет, что воспринимает низкое кровяное давление как опасный стимул, и сигналы не отправляются, предотвращая ингибирующее действие ЦНС; кровеносные сосуды сужаются, а частота сердечных сокращений увеличивается, вызывая повышение кровяного давления в организме. [4]
Сенсорные ощущения, особенно боль, являются стимулами, которые могут вызывать большую реакцию и вызывать 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 реагировать, сигнал отправляется обратно вниз к мышце, которая ведет себя соответствующим образом в соответствии со стимулом. [3] Постцентральная извилина является местом расположения первичной соматосенсорной области , основной сенсорной рецептивной области для чувства прикосновения . [5]
Рецепторы боли известны как ноцицепторы . Существует два основных типа ноцицепторов : ноцицепторы А-волокон и ноцицепторы С-волокон . Рецепторы А-волокон миелинизированы и быстро проводят токи. Они в основном используются для проведения быстрых и острых типов боли. Напротив, рецепторы С-волокон не миелинизированы и медленно передают. Эти рецепторы проводят медленную, жгучую, диффузную боль. [6]
Абсолютный порог прикосновения — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать ответ от рецепторов прикосновения. Это количество ощущений имеет определяемое значение и часто рассматривается как сила, оказываемая при падении крыла пчелы на щеку человека с расстояния в один сантиметр. Это значение будет меняться в зависимости от части тела, к которой прикасаются. [7]
Зрение дает мозгу возможность воспринимать и реагировать на изменения, происходящие вокруг тела. Информация или стимулы в виде света поступают в сетчатку , где возбуждают особый тип нейронов, называемых фоторецепторными клетками . Локальный градуированный потенциал начинается в фоторецепторе, где он возбуждает клетку достаточно для того, чтобы импульс прошел по дорожке нейронов в центральную нервную систему . По мере того, как сигнал передается от фоторецепторов к более крупным нейронам, должны быть созданы 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, удаленных 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 определяемое значение и часто считается количеством света, присутствующим от человека, держащего одну свечу на расстоянии 30 миль, если его глаза были приспособлены к темноте . [7]
Обоняние позволяет организму распознавать химические молекулы в воздухе посредством вдыхания. 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. Только примерно два процента вдыхаемых соединений воздуха переносятся к органам обоняния в виде небольшого образца вдыхаемого воздуха. Обонятельные рецепторы простираются за пределы эпителиальной поверхности, обеспечивая основу для многих ресничек, которые лежат в окружающей слизи. Одорант-связывающие белки взаимодействуют с этими ресничками , стимулируя рецепторы. Одоранты, как правило, представляют собой небольшие органические молекулы. Большая растворимость в воде и липидах напрямую связана с более сильными запахами одорантов. Связывание одоранта с рецепторами, сопряженными с G-белком, активирует аденилатциклазу , которая преобразует АТФ в цАМФ. 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 в носу. Это количество ощущений имеет определяемое значение и часто считается одной каплей духов в шестикомнатном доме. Это значение будет меняться в зависимости от того, какое вещество обоняется. [7]
Вкус регистрирует вкус пищи и других материалов, которые проходят через язык и через рот. Вкусовые клетки расположены на поверхности языка и прилегающих участках глотки и гортани . Вкусовые клетки образуются на вкусовых сосочках , специализированных эпителиальных клетках , и обычно обновляются каждые десять дней. Из каждой клетки выступают микроворсинки, иногда называемые вкусовыми волосками, также через вкусовую пору и в полость рта. Растворенные химические вещества взаимодействуют с этими рецепторными клетками; различные вкусы связываются со специфическими рецепторами. Соляные и кислые рецепторы являются химически управляемыми ионными каналами, которые деполяризуют клетку. Сладкие, горькие и умами рецепторы называются густдуцинами , специализированными рецепторами, связанными с G-белком . Оба подразделения рецепторных клеток выделяют нейротрансмиттеры в афферентные волокна, вызывая активацию потенциала действия . [8]
Абсолютный порог вкуса — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать ответ рецепторов во рту. Это количество ощущений имеет определяемое значение и часто считается одной каплей сульфата хинина в 250 галлонах 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 умножают эти колебания давления, поскольку они передают возмущение в улитку, спиралевидную костную структуру во внутреннем ухе. Волосковые клетки в улитковом канале, в частности орган Корти , отклоняются, когда волны движения жидкости и мембраны 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 черепно-мозгового нерва VIII . Звуковая информация обрабатывается в височной доле ЦНС, в частности в первичной слуховой коре . [8]
Абсолютный порог для звука — это минимальное количество ощущений, необходимое для того, чтобы вызвать ответ рецепторов в ушах. Это количество ощущений имеет определяемое значение и часто рассматривается как тиканье часов в беззвучной среде на расстоянии 20 футов. [7]
Полукруглые каналы, которые напрямую соединены с улиткой , могут интерпретировать и передавать в мозг информацию о равновесии аналогичным способом, который используется для слуха. Волосковые клетки в этих частях уха выпячивают киноцилии и стереоцилии в студенистый материал, который выстилает каналы этого канала. В частях этих полукруглых каналов, в частности в макулах, кристаллы карбоната кальция, известные как статоконии, покоятся на поверхности этого студенистого материала. При наклоне головы или когда тело подвергается линейному ускорению, эти кристаллы движутся, нарушая работу ресничек волосковых клеток и, следовательно, влияя на высвобождение нейротрансмиттера, который должен быть принят окружающими сенсорными нервами. В других областях полукруглого канала, в частности в ампуле, структура, известная как купула, аналогичная студенистому материалу в макулах, искажает волосковые клетки аналогичным образом, когда жидкая среда, окружающая ее, заставляет двигаться саму купулу. Ампула передает мозгу информацию о горизонтальном вращении головы. Нейроны соседних вестибулярных ганглиев контролируют волосковые клетки в этих протоках. Эти сенсорные волокна образуют вестибулярную ветвь черепно -мозгового нерва VIII . [8]
В целом, 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 являются чувствительными компонентами, которые отслеживают стимулы и реагируют на изменения в окружающей среде, передавая сигнал в центр управления для дальнейшей обработки и ответа. 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 специализируется на предпочтительном реагировании 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]
В ответ на механический стимул предполагается, что клеточными сенсорами силы являются молекулы внеклеточного матрикса, цитоскелет, трансмембранные белки, белки на мембранно-фосфолипидном интерфейсе, 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 проницаемость этих каналов для катионов зависит от рецепторов растяжения и механических стимулов. [11] Эта проницаемость ионных каналов является основой для преобразования механического стимула в электрический сигнал.
Химические стимулы, такие как одоранты, воспринимаются клеточными рецепторами, которые часто связаны с ионными каналами, ответственными за хемотрансдукцию. Так обстоит дело в обонятельных клетках . [12] Деполяризация в этих клетках происходит в результате открытия неселективных катионных каналов при связывании одоранта со специфическим рецептором. Рецепторы, связанные с G-белком, в плазматической мембране этих клеток могут инициировать пути вторичных мессенджеров, 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 вторичных мессенджеров , в которых ферментативные каскады производят большое количество промежуточных продуктов, увеличивая эффект одной молекулы рецептора. [4]
Хотя рецепторы и стимулы разнообразны, большинство внешних стимулов сначала генерируют локализованные градуированные потенциалы в нейронах, связанных с определенным сенсорным органом или тканью. [8] В нервной системе внутренние и внешние стимулы могут вызывать две различные категории ответов: возбуждающий ответ, обычно в форме потенциала действия , и тормозной ответ. [13] Когда нейрон стимулируется возбуждающим импульсом, дендриты нейронов связываются нейротрансмиттерами , которые заставляют клетку становиться проницаемой для определенного типа ионов; тип нейротрансмиттера определяет, для какого иона нейротрансмиттер станет проницаемым. В возбуждающих постсинаптических потенциалах генерируется возбуждающий ответ. Это вызвано возбуждающим нейротрансмиттером, обычно глутаматом, связывающимся с дендритами нейрона, вызывая приток ионов натрия через каналы, расположенные вблизи места связывания.
Это изменение проницаемости мембраны в дендритах известно как локальный градиентный 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 градиентный потенциал достаточно сильный или если несколько градиентных потенциалов возникают с достаточно высокой частотой, деполяризация способна распространяться по телу клетки к аксонному холмику . От аксонного холмика может генерироваться потенциал действия и распространяться вниз по аксону нейрона , заставляя натриевые ионные каналы в аксоне открываться по мере прохождения импульса. Как только сигнал начинает перемещаться по аксону, мембранный потенциал уже прошел пороговое значение , что означает, что его нельзя остановить. Это явление известно как реакция «все или ничего». Группы натриевых каналов, открытых изменением мембранного потенциала, усиливают сигнал по мере его перемещения от аксонного холмика, позволяя ему перемещаться по длине аксона. Когда деполяризация достигает конца аксона или аксонного терминала , конец нейрона становится проницаемым для ионов кальция, которые поступают в клетку через кальциевые ионные каналы. Кальций вызывает высвобождение нейротрансмиттеров, хранящихся в синаптических пузырьках , которые поступают в синапс между двумя нейронами, известными как пресинаптические и постсинаптические нейроны; если сигнал от пресинаптического нейрона является возбуждающим, он вызовет высвобождение возбуждающего нейротрансмиттера, вызывая аналогичную реакцию в постсинаптическом нейроне. [4] Эти нейроны могут взаимодействовать с тысячами других рецепторов и целевых клеток через обширные, сложные дендритные сети. Связь между рецепторами таким образом обеспечивает различение и более явную интерпретацию внешних стимулов. По сути, эти локализованные градуированные потенциалы запускают потенциалы действия, которые сообщаются, по своей частоте, вдоль нервных аксонов, в конечном итоге достигая определенных корковых структур мозга. В этих также высокоспециализированных частях мозга эти сигналы координируются с другими, чтобы, возможно, запустить новую реакцию. [8]
Если сигнал от пресинаптического нейрона является тормозным, тормозные нейротрансмиттеры, как правило, ГАМК будут высвобождаться в синапс. [4] Этот нейротрансмиттер вызывает тормозной постсинаптический потенциал в постсинаптическом нейроне. Эта реакция приведет к тому, что постсинаптический нейрон станет проницаемым для ионов хлора, что сделает мембранный потенциал клетки отрицательным; отрицательный мембранный потенциал затрудняет для клетки запуск потенциала действия и предотвращает передачу любого сигнала через нейрон. В зависимости от типа стимула нейрон может быть либо возбуждающим, либо тормозным. [14]
Нервы в периферической нервной системе распространяются на различные части тела, включая мышечные волокна . Мышечное волокно и двигательный нейрон , с которым оно связано. [15] Место, в котором двигательный нейрон прикрепляется к мышечному волокну, известно как нервно-мышечное соединение . Когда мышцы получают информацию от внутренних или внешних стимулов, мышечные волокна стимулируются соответствующим им двигательным нейроном. Импульсы передаются из центральной нервной системы вниз по нейронам, пока не достигнут двигательного нейрона, который высвобождает нейротрансмиттер ацетилхолин (ACh) в нервно-мышечное соединение. ACh связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами 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 высвобождать ионы кальция внутри клетки. Ионы кальция связываются с белками внутри мышечной клетки, обеспечивая сокращение мышцы; конечное последствие стимула. [4]
Эндокринная система в значительной степени подвержена влиянию многих внутренних и внешних стимулов. Одним из внутренних стимулов, вызывающих выброс гормонов, является артериальное давление . Гипотония , или низкое артериальное давление, является большой движущей силой выброса вазопрессина , гормона, который вызывает задержку воды в почках. Этот процесс также усиливает жажду человека. При задержке жидкости или потреблении жидкости, если артериальное давление человека возвращается к норме, выброс вазопрессина замедляется, и почки задерживают меньше жидкости. Гиповолемия , или низкий уровень жидкости в организме, также может выступать в качестве стимула, вызывающего эту реакцию. [16]
Эпинефрин , также известный как адреналин, также обычно используется для реагирования как на внутренние, так и на внешние изменения. Одной из распространенных причин выброса этого гормона является реакция «бей или беги» . Когда организм сталкивается с внешним раздражителем, который потенциально опасен, из надпочечников выделяется адреналин . Адреналин вызывает физиологические изменения в организме, такие как сужение кровеносных сосудов, расширение зрачков, учащение сердцебиения и дыхания, а также метаболизм глюкозы. Все эти реакции на один 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 желудочных и панкреатических ферментов, а также эндокринную секрецию в рамках подготовки к поступающим питательным веществам; запуская пищеварительный процесс до того, как пища достигнет желудка, организм способен более эффективно и действенно перерабатывать 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 жеванием и глотанием, еще больше увеличивают высвобождение ферментов в желудке и кишечнике. [20]
Пищеварительная система также способна реагировать на внутренние раздражители. Пищеварительный тракт, или энтеральная нервная система, содержит миллионы нейронов. Эти нейроны действуют как сенсорные рецепторы, которые могут обнаруживать изменения, такие как попадание пищи в тонкий кишечник, в пищеварительном тракте. В зависимости от того, что обнаруживают эти сенсорные рецепторы, определенные ферменты и пищеварительные соки из поджелудочной железы и печени могут секретироваться для содействия метаболизму и расщеплению пищи. [4]
Внутриклеточные измерения электрического потенциала через мембрану могут быть получены с помощью микроэлектродной регистрации. Методы патч-кламп позволяют манипулировать внутриклеточной или внеклеточной ионной или липидной концентрацией, продолжая при этом регистрировать потенциал. Таким образом, можно оценить влияние различных условий на порог и распространение. [4]
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ) позволяют проводить неинвазивную визуализацию активированных областей мозга, пока испытуемый подвергается воздействию различных стимулов. Активность отслеживается по отношению к притоку крови к определенной области мозга. [4]
Другой метод — время отдергивания задних конечностей. Сорин Барак и др. в недавней статье, опубликованной в журнале «Журнал реконструктивной микрохирургии», отслеживали реакцию подопытных крыс на болевые стимулы, вызывая острый внешний тепловой стимул и измеряя время отдергивания задних конечностей (HLWT). [21]