עבודה אחת, חושים רבים
העיניים, האוזניים, האף, הלשון והעור לא דומים זה לזה בכלל, ובכל זאת כולם עושים אותה עבודה. בכל אחד מהם יש תאי קולטן, וכל סוג קולטן בנוי להגיב לסוג אחד של גירוי: אור, דחיפה, מולקולה, חום. כשהגירוי שלו מגיע, הקרום של הקולטן מכניס יונים, והמתח החשמלי שלרוחבו משתנה. השינוי הזה, פוטנציאל הקולטן, גדול יותר כשהגירוי חזק יותר. מעבר לסף הוא גורם לסיב העצב לירות דחפים, הפולסים הקצרים של הכול או לא כלום שמתוארים במאמר מערכת העצבים. הצעד הזה, מגירוי לאות חשמלי, נקרא התמרה, ושם מתחיל כל חוש.
ההמשך זהה בכל החושים. דחפים הם האות היחיד שסיב עצב יכול לשלוח, ודחף אחד נראה כמו כל דחף אחר. סיב מדווח כמה חזק הגירוי שלו לפי כמה פעמים הוא יורה, ואיזה סוג גירוי זה היה לפי איזה סיב הוא. בשנות ה־30 של המאה ה־19 הבחין הפיזיולוג יוהנס מילר שלא משנה איך מפעילים עצב: לחצו בעדינות על עין עצומה ותראו אור, כי עצב הראייה יכול לדווח רק על אור. המוח קורא את החושים שלו לפי החוטים שנושאים את הדחפים, וממיין אותם לראייה, לשמיעה ולמגע באזורים משלו, שמוצגים במאמר המוח.
ראייה ושמיעה עוקבים אחרי האור עד הקנים והמדוכים ואחרי הקול עד תאי השערה בשבלול. המאמר הזה מתחיל בעור, שמחזיק כמה חושים במקום אחד.
נסו: השאירו את הסצנה כפי שהיא נפתחת וצפו במגשש יורד. דסקיות מרקל בצבע ענבר שמתחתיו מהבהבות כל עוד הוא לוחץ; הגופיפים הירוקים והסגולים מהבהבים רק כשהוא נכנס ויוצא.
ארבע דרכים להרגיש מגע
כרית קצה האצבע היא אחד מאזורי העור הרגישים ביותר שיש לכם. בכל סנטימטר רבוע שלה מסתיימים כ־240 סיבי מגע, ושתי נקודות שנלחצות עליה במרחק של כ־2 mm כבר מורגשות כשתיים. על הגב הן צריכות להיות במרחק של כמה סנטימטרים. מתחת לרכסי טביעת האצבע יושבים ארבעה סוגים עיקריים של קולטני מגע, וכל אחד מהם הוא קצה של סיב עצב אחד, עטוף במבנה משלו:
- דסקיות מרקל הן תאים קטנים בבסיס האפידרמיס, השכבה החיצונית של העור, וכל אחד מהם צמוד לקצה עצב בצורת דסקית. הן יושבות מתחת לרכסים של טביעת האצבע ומרגישות איפה העור נלחץ וכמה חזק: קצוות, פינות, הנקודות של כתב ברייל.
- גופיפי מייסנר הם ערמות סגלגלות של תאים שטוחים, וקצה העצב מתפתל ביניהם בזיגזג. הם יושבים ממש מתחת לאפידרמיס, בין הרכסים, ומרגישים את העור זז: חפץ שמתחיל להחליק מהאחיזה, או רפרוף של נקישות.
- גופיפי פאצ׳יני ארוכים כמילימטר, גדולים מספיק כדי לראות אותם בלי מיקרוסקופ, ויושבים עמוק בשומן שמתחת לעור. עד שבעים שכבות דקות עוטפות את קצה העצב כמו בצל. הם מרגישים רטט, דרך כלי או שולחן וגם בעור עצמו.
- קצות רופיני, כישורים שמרגישים את העור נמתח, הם סוג רביעי, אם כי עדיין מתווכחים כמה מהם יש בקצה האצבע. הסצנה משאירה אותם בחוץ.
בכל אחד מהם יש בקרום של קצה העצב תעלות יונים שנפתחות כשהוא נמתח. העיקרית שבהן, Piezo2, זוהתה רק ב־2010. ב־2021 חלק ארדם פטפוטיאן את פרס נובל על גילויה עם דייוויד ג׳וליוס, על חיישן החום שמופיע בהמשך.
נסו: גררו את לחיצה מ־0.3 mm ל־1.5 mm. השקע בעור מעמיק ודסקיות מרקל יורות מהר יותר, מכ־37 דחפים בשנייה בזמן שלחיצה קלה מוחזקת לכ־66 בלחיצה חזקה מאוד. אחר כך הזיזו אותה אל 0 mm: המגשש מונח על העור בלי ללחוץ פנימה, וקולטני המגע שקטים.
מהר ולאט
אילו ארבעת הקולטנים רק היו מדווחים על לחץ, הם היו מיותרים. מה שמבדיל ביניהם הוא הסתגלות: כמה זמן קולטן ממשיך לירות כשהגירוי שלו נשאר אותו דבר.
דסקיות מרקל מסתגלות לאט. הן יורות חזק כשהעור נלחץ פנימה, ואז מתייצבות על קצב קבוע כל עוד הלחיצה נמשכת. גופיפי מייסנר ופאצ׳יני מסתגלים מהר: הם יורים כל עוד העור זז ומשתתקים ברגע שהוא נעצר, ואז יורים שוב כשמשחררים אותו. זו הסיבה שאתם מרגישים את הבגדים כשאתם לובשים אותם ואז מפסיקים לשים לב אליהם. השכבות של גופיף פאצ׳יני הן חלק מההסבר. כשלוחצים עליו לאט, הנוזל שביניהן זורם הצידה והלחץ הקבוע לא מגיע אל קצה העצב; רק שינוי מהיר עובר.
הקולטנים המהירים מכוונים גם לקצב שבו העור רוטט. גופיפי מייסנר עוקבים הכי טוב אחרי רפרוף איטי, כ־30 פעמים בשנייה, בדחף אחד על כל נקישה. גופיפי פאצ׳יני עוקבים הכי טוב אחרי רטט מהיר, כ־250 פעמים בשנייה, ובקצב הזה מספיק להם שהעור יזוז פחות ממיקרומטר, אלפית המילימטר. טלפון שמזמזם בכיס, המרקם של משטח שמעבירים עליו עט והרעם של רכבת דרך הרצפה מגיעים אליכם בעיקר דרכם.
נסו: קבעו את לחיצה על 0.8 mm והזיזו את רטט מ־0 Hz אל 30 Hz, 80 Hz ו־250 Hz. ב־30 Hz רק גופיפי מייסנר שומרים על הקצב, ב־80 Hz שני הסוגים, וב־250 Hz רק גופיף פאצ׳יני, עמוק למטה, יורה בכל מחזור. דסקיות מרקל ממשיכות לדווח על הלחיצה כל הזמן.
חום, קור וכאב
לקולטני הטמפרטורה והכאב אין מבנה מיוחד סביבם. הם קצות עצב חופשיים: ענפים חשופים של סיבים דקים שמגיעים עד השכבות החיות של האפידרמיס. מה שהופך כל אחד מהם לייעודי הוא תעלה בקרום שלו שנפתחת בטמפרטורה מסוימת.
- קצות קור נושאים את TRPM8, שנפתחת מתחת לכ־26 °C, וגם כשמנתול נקשר אליה. לכן מנטה מרגישה קרירה.
- קצות חום יורים יותר ככל שהעור מתחמם מכ־32 °C עד כ־43 °C, ומפסיקים מעל זה.
- קצות כאב, או נוציצפטורים, נושאים את TRPV1, שנפתחת מעל כ־43 °C וגם כשקפסאיצין, החומר החריף שבפלפל, נקשר אליה. אחרים מגיבים לקור קיצוני, למעיכה או לחומרים שרקמה פגועה משחררת.
עור במנוחה הוא בטמפרטורה של כ־33 °C, ושם קצות העצב החופשיים יורים לאט. כמו קולטני המגע, גם הם מדווחים הכי טוב על שינוי: היכנסו לאמבטיה חמה והיא תרגיש חמה יותר בהתחלה מאשר אחרי דקה, אף שהמים כמעט לא התקררו.
הם גם איטיים יותר. מגע נע בסיבים עבים עטופים במיאלין, בכ־50 מטרים בשנייה. קור נע בסיבים עטופי מיאלין דקים יותר, וחום ורוב הכאב בסיבים דקים וחשופים, סיבי C, בכמטר בשנייה. לכן בוהן שנתקלה במשהו כואבת פעמיים: כאב ראשון וחד שנישא בסיבים מהירים יותר, וכאב עמום שמגיע שנייה בערך אחריו.
נסו: בחרו אותות עצב תחת הצגת אותות העצב, ואז הזיזו את טמפרטורת המגשש אל 5 °C ואחר כך אל 48 °C. ב־5 °C יורים גם קצות הקור וגם קצות הכאב; ב־48 °C יורים קצות החום והכאב, והחרוזים שלהם זוחלים בסיבים הדקים הרחק מאחורי דחפי המגע.
ריח וטעם
ריח וטעם הם חושים כימיים: הקולטנים שלהם מגיבים למולקולות.
בגג כל נחיר יש כתם של רירית בגודל של בול דואר, ובו מיליוני תאי עצב של חוש הריח. כל אחד מהם שולח שערות דקות אל הריר, וכל אחד מייצר רק סוג אחד של חלבון קולטן מתוך כ־400 שהגנים של האדם מקודדים. מולקולה שמתאימה מפעילה שרשרת תגובות בתוך התא, שפותחת תעלות יונים ויורה דחפים ישר אל פקעת הריח שמתחת לחלק הקדמי של המוח. רוב הריחות מפעילים כמה סוגי קולטנים בבת אחת, והמוח מזהה את הצירוף, וכך 400 סוגי קולטנים מבחינים בין אלפי ריחות. לינדה באק וריצ׳רד אקסל זכו בפרס נובל ב־2004 על גילוי הגנים של הקולטנים. תאי העצב של חוש הריח הם מתאי העצב המעטים שמתחלפים לאורך כל החיים.
לטעם יש בלוטות טעם, אשכולות של 50 עד 100 תאים בבליטות שעל הלשון ובחלק האחורי של הפה. תאים שונים מגיבים למתוק, לאומאמי (הטעם המלוח־בשרי של גלוטמט), למר, למלוח ולחמוץ, שלושת הראשונים דרך חלבוני קולטן ושני האחרונים דרך יונים שעוברים ישר בתעלות. רוב מה שאנחנו קוראים לו הטעם של האוכל הוא בעצם ריח, שעולה מאחורי הפה אל האף, ולכן אוכל נראה תפל כשאתם מצוננים.
חושים שאין לנו, וחושים מעבר לחמישה
חמישה חושים הוא מספר של ספר לימוד. האוזן הפנימית שלכם חשה גם שיווי משקל ותאוצה, קולטני מתיחה בשרירים ובגידים אומרים לכם איפה הגפיים שלכם גם בעיניים עצומות, וקולטנים בתוך הגוף מדווחים על קיבה מלאה, על לחץ הדם ועל הפחמן הדו־חמצני בדם.
בעלי חיים אחרים משתמשים בקולטנים שמכוונים לגירויים שאנחנו לא חשים בכלל, והעבודה היא אותה עבודה:
- דבורי דבש רואות אור על־סגול: שלושת סוגי תאי האור שלהן מגיבים הכי טוב לעל־סגול, לכחול ולירוק, ושלנו לכחול, לירוק ולאדום. פרחים רבים מעוטרים בדוגמאות בעל־סגול, עם סימנים שמכוונים את הדבורה אל הצוף.
- צפעונים בעלי גומה, כמו נחשי הרעשן, נושאים בין העין לנחיר גומה ובה קרום דק מלא בקצות עצב חופשיים עם TRPA1, תעלה שנפתחת כשהיא מתחממת. קרינה תת־אדומה מעכבר מחממת את הקרום בשבריר זעיר של מעלה, והנחש מכיש בחושך.
- עטלפים צועקים בצלילים גבוהים הרבה מעבר לשמיעה שלנו ומקשיבים להדים, ובונים תמונה של עשים ושל ענפים מקול בלבד, בעזרת תאי שערה כמו שלנו שמכוונים לצלילים גבוהים יותר.
- כרישים חשים את השדות החשמליים החלשים של שרירי דג דרך נקבוביות מלאות ג׳לי בחרטום, וציפורים רבות חשות את הכיוון של השדה המגנטי של כדור הארץ, במנגנון שעדיין לא הוכרע.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מראה פיסת עור אחת ברוחב 4 mm ומגשש אחד שלוחץ עליה. הלחיצה, התזמון שלה וגודל הרטט (20 מיקרומטר) קבועים; רק העומק, התדירות והטמפרטורה משתנים. כל סוג קולטן פועל לפי כלל פשוט: הקצב הקבוע של דסקית מרקל גדל עם עומק הלחיצה ומתייצב, גופיפי מייסנר ופאצ׳יני יורים רק כשהעור זז, וכל סוג עוקב אחרי רטט מעל עקומת סף שהנקודה הנמוכה שלה בערך ב־2, ב־30 וב־250 Hz. קצות העצב החופשיים עוקבים אחרי עקומות טיפוסיות של קצב מול טמפרטורת העור, שמתחמם או מתקרר מתחת למגשש בתוך שבריר שנייה. קולטנים אמיתיים מאותו סוג שונים זה מזה מאוד, והמספרים הם ערכים טיפוסיים ממדידות, לא מדידות של יד אחת.
קצה אצבע אמיתי מחזיק הרבה יותר קולטנים מכמה העשרות שמצוירים, כל אחד מסיבי המגע שלו משרת כמה קצוות על פני שטח ברוחב של כמה מילימטרים, והסיבים עצמם דקים יותר מכפי שהם מצוירים. קצות רופיני, זקיקי שיער (אין כאלה בכרית האצבע) והעצבים של כלי הדם עצמם נשארו בחוץ, וכך גם המפות של המוח שהופכות את הדחפים לתחושה של איפה, כמה חזק וכמה חם.