reagują na różne jego aspekty. Jeden jest stosunkowo wrażliwy na lekki dotyk na powierzchni skóry i wysyła sygnał do mózgu aż do ustąpienia nacisku. Inny typ receptora uaktywnia się tylko pod wpływem bardzo mocnego dotyku i reaguje wyłącznie na zmiany – na moment pojawienia się nacisku i jego ustąpienia. Obecnie znamy kilkanaście pierwszorzędowych neuronów czucia dotyku i możemy je badać nawet w gabinecie neurologa, porównując wrażliwość na ukłucie z wrażliwością na dotyk wibrującego kamertonu.
Co ciekawe, podstawą typologii receptorów skóry nie są fundamentalne różnice budowy neuronów, lecz różnorodność struktur, do których dochodzą zakończenia aksonalne. Zakończenia pojedynczych neuronów czuciowych są otoczone wyspecjalizowanymi strukturami komórkowymi i to one decydują o tym, że neuron czuciowy reaguje na różne rodzaje dotyku. Rozpatrzmy na przykład pałkę werbla i pałkę bębna basowego. Obie są kawałkami drewna, ale jedna kończy się niewielkim zaokrągleniem, a druga włochatą kulą, co sprawia, że dźwięki powstające przy uderzaniu nimi w naprężoną skórę bębna są inne. W przypadku neuronów różne receptory oznaczają różne kanały jonowe, które niuansują reakcje czuciowe. Szczegóły są fascynujące i dowodzą cudownego bogactwa ewolucji, nie są jednak istotne dla naszego wywodu. Musimy zapamiętać tylko tyle, że różne rodzaje bezpośredniego kontaktu obiektów świata zewnętrznego z naszym ciałem są rejestrowane przez różne typy neuronów: niektóre wyczuwają skok pchły, inne znów są pobudzane dopiero uderzeniem pięści. Istnieje oczywiście cała gama przypadków pośrednich; dochodzące do mózgu sygnały informujące o większości zdarzeń w naszym środowisku to wynik działania wielu odmian neuronów. Jak napisał jeden z ekspertów w tej dziedzinie: „Podobnie jak instrument w orkiestrze, każdy podtyp [neuronu dotyku] wyraża specyficzną cechę sił oddziałujących na skórę, a wszystkie razem tworzą symfonię impulsów nerwowych, które mózg interpretuje jako dotyk”[6].
I jest to generalna zasada dla wszystkich układów nerwowych. Zmysł smaku wspierany jest przez pięć rodzajów kubków smakowych, rejestrujących smak słodki, kwaśny, słony, gorzki i umami (smak złożony wyzwalany przez niektóre aminokwasy). Zmysł węchu jest zdumiewający – do tej pory odkryto około czterystu receptorów, z których każdy reaguje na inną lotną cząsteczkę. To wyjaśnia, dlaczego degustatorzy potrafią odróżnić setki win po ich bukiecie (ja niestety tego nie umiem) i dlaczego niektóre perfumy mogą przywoływać wspomnienia dawnej miłości.
Dlaczego wzrok jest jak dotyk
Omówiłem działanie zmysłu dotyku dość szczegółowo, ponieważ funkcjonowanie układów zmysłu dotyku i wzroku jest podobne, a wszystkie neurony zasadniczo działają tak samo. W przypadku obu tych zmysłów zadanie mózgu sprowadza się do zlokalizowania bodźców padających na warstwę komórek czuciowych – na skórze lub na siatkówce. W obu układach występują bardzo zróżnicowane typy receptorów, a każdy neuron jest powiązany z ograniczonym polem odbiorczym i przekazuje do mózgu kilka bardzo konkretnych informacji. Znacznie więcej wiemy jednak o tym, w jaki sposób z docierającymi do nich informacjami radzą sobie struktury odbiorcze układu wzrokowego w mózgu. Dlatego też o wiele lepiej rozumiemy, jak mózg interpretuje symfonię sygnałów dochodzących z siatkówki.
Dowiedzieliśmy się właśnie, że neurony znajdujące się w skórze przekazują do mózgu rozmaite informacje o dotykających jej obiektach. Ta sama fundamentalna zasada leży u podstaw widzenia: każde włókno nerwu wzrokowego przesyła do mózgu raporty dotyczące jednego małego wycinka i jednej specyficznej cechy pola widzenia.
Siatkówka działa na podobnej zasadzie jak mikroprocesory w waszych smartfonach, aparatach fotograficznych czy zegarkach elektronicznych. Składa się z ogromnej liczby rozmaitych neuronów, które weźmiemy pod lupę w dalszej części książki. Na razie przyjrzymy się tylko sygnałom, które siatkówka przesyła za pośrednictwem specjalnych neuronów służących do przekazywania informacji na duże odległości, a zwanych komórkami zwojowymi (ich odpowiednikami w drogach czuciowych są neurony przekazujące informacje o dotyku do rdzenia kręgowego). W każdej siatkówce ludzkiej jest około miliona komórek zwojowych, które zbierają sygnały przychodzące z kilku rodzajów neuronów siatkówkowych i przekazują je do mózgu. Długa wiązka włókien komórek zwojowych tworzy nerw wzrokowy.
Autorem pierwszego gruntownego studium komórek zwojowych siatkówki był amerykański naukowiec węgierskiego pochodzenia Stephen Kuffler. Kufflera najbardziej interesowało inne zagadnienie – mechanizm przekaźnictwa synaptycznego – ale po długiej tułaczce w czasie II wojny światowej trafił w końcu na wydział okulistyki na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa. Po części z wdzięczności dla swoich gospodarzy przeprowadził badanie, które miało fundamentalne znaczenie dla zrozumienia procesu widzenia.
Mniej więcej w 1950 roku Kuffler zaczął rejestrować aktywność elektryczną komórek zwojowych w oczach pozbawionych świadomości kotów. Po wprowadzeniu mikroelektrody do komórki zwojowej, mógł badać serie impulsów generowanych przez nią w trakcie pobudzania powierzchni siatkówki światłem punktowym. Plamki światła musiały być niewielkie, ponieważ w zamierzeniu Kufflera miały przypominać rzutowane na siatkówkę obrazy rzeczywistych obiektów, które w aparacie optycznym oka ulegają znacznemu pomniejszeniu; na przykład obraz paznokcia mojego kciuka, gdy patrzę na niego z odległości wyprostowanego ramienia, zajmuje na mojej siatkówce obszar o szerokości zaledwie 0,4 milimetra.
Sygnały wysyłane przez komórki zwojowe, które obserwował Kuffler, bardzo przypominały sygnały wysyłane przez neurony czuciowe w skórze. Każda komórka zwojowa jest połączona z niewielkim wycinkiem powierzchni siatkówki, który stanowi jej pole odbiorcze. Najmniejszy z takich wycinków w siatkówce kota ma około 40 mikrometrów, czyli 0,04 milimetra. Choć nie znamy dokładnych rozmiarów pól odbiorczych w siatkówce oka ludzkiego – nie ma medycznych przesłanek, by rejestrować aktywność komórek zwojowych u człowieka – poszlaki wskazują, że najmniejsze mogłoby mieć mniej więcej 10 mikrometrów średnicy. Jeden z noblistów obliczył, że takie dziesięciomikronowe pole odbiorcze wygląda jak ćwierćdolarówka oglądana z odległości około 150 metrów. Nie wydaje mi się, żebym był w stanie dostrzec niewielką monetę z takiej odległości, ale może nobliści mają ostrzejszy wzrok niż reszta śmiertelników. Tak czy inaczej, możemy sobie wyobrazić, że pola odbiorcze siatkówki przypominają piksele monitora – im gęściej upakowane komórki zwojowe, tym lepszy wzrok.
Tak na marginesie
W pionierskich latach neuronauki – mniej więcej od roku 1945 do 1980 – badaczy najbardziej interesowało zapisywanie sygnałów elektrycznych: fal mózgowych rejestrowanych na powierzchni skóry głowy (elektroencefalogram), które stanowiły odległe ślady elektrycznej aktywności mózgu, oraz sygnałów rejestrowanych przez cieniutkie druciki wprowadzane do mózgu, odzwierciedlających funkcjonowanie pojedynczych neuronów. Naukowcy monitorowali elektryczną aktywność mózgu i cieszyli się jak dzieci. (Genetyka molekularna – obecnie główny motor postępu wszystkich nauk biologicznych – znajdowała się wówczas na poziomie biochemii, a inżynierii genetycznej jeszcze nie wymyślono).
Nie muszę chyba dodawać, że sygnały elektryczne emitowane przez pojedyncze neurony są niewiarygodnie słabe i dlatego podatne na wszelkie zakłócenia ze strony innych fal elektromagnetycznych, na przykład emitowanych przez radia policyjne, stacje telewizyjne i systemy wewnętrznej komunikacji szpitalnej. Z tego powodu sygnały rejestrowało się często w „klatkach” – gęstych siatkach z drutu otaczających badaną osobę czy zwierzę i chroniących przed niepożądanymi wpływami z zewnątrz.
Znacznie mniej wyrafinowanym sposobem eliminacji tych szumów było odgradzanie miejsca zapisywania sygnałów od źródła zakłóceń twardą materią, na przykład kilkumetrową warstwą ziemi. Niemało laboratoriów zakładano w piwnicach albo umieszczano w ich ścianach miedziane ekrany. Dziś dysponujemy już znacznie lepszą aparaturą, zmieniły się również nasze preferencje: interesują nas silniejsze sygnały, a dzięki lepszym wzmacniaczom nie musimy już zaprzątać sobie głowy