Просто осязание

Залезая в карман брюк (в свою сумочку или рюкзак) и пытаясь определить достоинство монеты одним касанием, вы можете заодно обнаружить и потрогать флэш-накопитель USB, две таблетки ибупрофена, мелкие монетки, прежде чем узнаете нужную, основываясь на размере, текстуре и ребристых краях. В этом процессе задействованы все четыре основных типа сенсорных датчиков на коже ваших пальцев, но ключевой датчик, который позволяет определять края объектов, локальную кривизну и грубую текстуру, называется клетками Меркеля. Они названы в честь немецкого анатома Фридриха Меркеля, который впервые описал их в 1875 году, назвав Tastzellen, или «осязательные клетки».

Эти особые эпидермальные рецепторы сгруппированы в ячейках, состоящих из различных клеток. Ячейки расположены на вершинах первичных эпидермальных гребней, на границе эпидермиса и дермы. Клетки Меркеля соединены с отдельным нервным волокном, которое передает информацию к спинному мозгу и, в конечном счете, к сенсорным областям головного мозга. Эта электрическая информация кодируется скачками напряжения.

Клетки Меркеля расположены в самой глубокой части эпидермиса, где она граничит с дермой на вершинах первичных эпидермальных гребней. Клетки Мейснера находятся только в самых мелких частях дермы и во в впадинах между эпидермальными грядами, в то время как тельца Пачини и окончания Руффини расположены глубже в дерме. Нервные волокна, принимающие сигналы от тельца Мейснера и Пачини, посылают электрические сигналы в мозг на короткое время, только в начале и в конце устойчивого прикосновения, в то время как те, которые получают сигналы от окончаний Руффини и клеток Меркеля, непрерывно сигнализируют в течение всего сенсорного раздражения. Также показаны свободные нервные окончания, являющиеся датчиками определенных химических веществ, температуры, боли и зуда. Это будет обсуждаться в следующих главах.

Ключевой вопрос заключается в том, как механическая энергия деформации кожи преобразуется в электрический сигнал в нервном окончании. Лучшая из существующих гипотез заключается в том, что метаморфоза происходит с помощью молекул, встроенных в мембрану нервного окончания, – ионных каналов. Эти молекулы образуют пору, закрытую в состоянии покоя, но когда клеточная мембрана растягивается, пора открывается, позволяя положительным ионам, таким как натрий и кальций, проникать в нервную клетку и вызывать электрический импульс.

Клетки Меркеля присутствуют в очень высокой плотности на коже губ и кончиках пальцев, в низкой плотности на других гладких областях и при очень низкой плотности на волосистой коже. Они чувствительны к очень малым силам, которые продавливают кожу всего лишь на 0,05 мм, и продолжают реагировать более сильно (увеличивающейся мощью импульсов), пока не начнут срабатывать максимально в ответ на вдавливания около 1,5 мм. Электрография работы отдельных нервных волокон, передающих сигналы клеток Меркеля, показывает, что они продолжают вызывать импульсы до тех пор, пока кожа остается вдавленной. Искусственная электрическая стимуляция нервного волокна Меркеля в предплечье, по словам участников опыта, вызывала ощущение, будто «мягкая кисточка нежно касается кожи».

Клетки Меркеля позволяют нам различать отдельные элементы текстуры кончиками пальцев, например шероховатые выступы на краю монеты. Важно отметить, что способность клеток Меркеля различать тактильные характеристики вытекает из их особой структуры, местоположения и связей. Поскольку они расположены в относительно неглубоком слое кожи, то могут реагировать на небольшие углубления, создаваемые текстурированными поверхностями. И поскольку они плотно упакованы в кончиках пальцев и каждый из них иннервируется одним нервным волокном, этот набор датчиков может устранить разницу между двумя элементами на поверхности объекта, которые находятся на расстоянии всего лишь около 0,7 мм друг от друга.

Вернемся к нашему примеру с автоматом на парковке и монетой. Нащупав нужную, вы зажмете ее между большим и указательным пальцами и подготовитесь к маневрированию в направлении прорези для монет. Как вы определяете, какое усилие приложить этим движением? Вы не хотите использовать максимальную силу костей для всего, что захватываете – подходящее усилие для удержания монетки может быть пагубно для схватывания яйца или руки ребенка. При этом нельзя использовать меньше силы, иначе монетка выскользнет из руки. Для этой работы служит другой датчик кожи, называемый чувствительными тельцами Мейснера (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Механорецепторы. Реагируют на давление и вибрации