Есть такой известный нейрофизиологический эксперимент: к соседним участкам кожи прикладывают два небольших, порядка сантиметра в длину, кусочка металла. Один кусочек холодный (20 градусов), другой — теплый (40 градусов). Что почувствует испытуемый: тепло или холод? Ни то и ни другое: он почувствует боль. Рассказываем, откуда она берется.

С точки зрения чувствительных нейронов, боль — это воздействие, которое угрожает существованию клеток. У человека три типа ноцицепторов (рецепторов боли):

• Механические реагируют на чересчур сильное растяжение или избыточное давление. Причем воздействие может быть как внешним, так и внутренним — поводом для тревоги станет как укол иглой, так и натяжение мочевого пузыря.
• Температурные реагируют на температуру ниже 15 градусов Цельсия и выше 45 (за открытие одного из этих рецепторов в 2021 году вручили Нобелевскую премию, об этом наш текст «Премия за самочувствие»).
• Химические отвечают на воздействие опасных химических веществ, вроде кислоты.

Сигнал от возбужденных рецепторов идет в центр боли — скопление нейронов, которое пронизывает задние рога спинного мозга сверху донизу. Этот центр напрямую связан с двумя отделами головного мозга. Один путь из центра боли идет в лимбическую систему, отвечающую за наши эмоции, — и когда сигнал ее достигает, мы испытываем боль. Другой путь тянется в новую кору, в зоны, отвечающие за схему тела, — так мозг определяет, где болит.

Так болевой сигнал путешествует по нервной системе / Mun Fei Yam et al. / International Journal of Medical Sciences, 2018

Задача центра боли состоит в том, чтобы на основе приходящих к нему сигналов от рецепторов «решить», делать ли больно — то есть отправлять или нет в мозг соответствующий сигнал. Решение он принимает так: если сила входных сигналов превышает порог его возбудимости, то центр генерирует болевой импульс.

Центр боли принимает сигналы не только от болевых рецепторов. К нему также тянут свои волокна тактильные и температурные рецепторы. Правда, «сила» у них меньше: сигнал, поданный на болевой вход, легко вызовет в центре возбуждение, в то время как обычные тактильные стимулы в норме к этому не приводят.

Кроме того, чтобы центр боли не паниковал постоянно, к нему отправляет сигналы и противоболевая система. К центру боли приходят волокна из ядер шва и околоводопроводного серого вещества, которые расположены в стволе мозга. Свои сигналы они передают через медиаторы серотонин, энкефалины и эндорфины. Последние относятся к классу эндогенных опиоидов — поэтому искусственные аналоги этих нейромедиаторов являются сильнейшими обезболивающими и наркотиками, например, опиум, морфий или героин.

Болевые центры спинного мозга — это лишь самый нижний (однако наиболее изученный, особенно с молекулярной точки зрения) уровень так называемой болевой матрицы. Верхние находятся уже в головном мозге: среди них ретикулярная формация, таламус, околоводопроводное серое вещество, островок, поясная извилина и соматосенсорная кора. Между ними есть иерархия (хотя и не вполне линейная), то есть старшие структуры могут либо заблокировать сигналы «снизу», либо дать им дальнейший ход.

Получается, что боль, которую мы чувствуем от укола или горячего утюга, — это сигнал, который был несколько раз проверен, уточнен и завизирован десятком инстанций внутри нервной системы.

Боль в ничём

Сложная иерархия болевой матрицы призвана отсекать лишние стимулы и не поднимать тревогу по пустякам. Именно поэтому, например, мы не чувствуем, как постоянно сокращаются, растягиваются и давят друг на друга наши внутренние органы. Но иногда система дает сбой: тогда даже легкий укол иглой отзывается невыносимой болью. Это состояние называется гиперальгезией.

Бывает и так, что заведомо не болевой стимул, вроде поглаживания ватной палочкой, причиняет боль. Это аллодиния.

В обоих случаях — а еще в истории с горячими и холодными пластинками металла выше — работает один и тот же механизм. Причина боли тут не в рецепторах, а в центре обработки информации, поэтому механизм называют центральной сенситизацией.

Сенситизация — это увеличение чувствительности нейронов в каком-нибудь из отделов мозга. Иными словами, снижается порог возбудимости: нейроны, которые выносят «решение о боли», легче возбуждаются. А причины такой чувствительности могут быть разными.

Гиперальгезия и аллодиния — разные формы аномального ответа на стимул / Fernando Cervero et al. / Pain, 1998

Может «сломаться» несколько нейронов в центре боли или просто несколько синапсов, через которые к этим нейронам приходит болевой сигнал. Иногда эта поломка бывает врожденной: мутация в гене ведет к неправильному формированию соответствующего белка (например, клеточного рецептора), и поэтому неправильно работает синапс. В таком случае человек с рождения предрасположен к беспричинным болям. Иногда эту поломку провоцирует какой-нибудь токсин. Например, в эксперименте ученые могут вызвать сенситизацию болевых нейронов спинного мозга крысы, вводя ей под кожу формалин.

Но чаще всего нейроны становятся слишком чувствительными из-за того, что их постоянно — часы или дни напролет — бомбардируют болевыми сигналами. Непрерывное возбуждение меняет экспрессию генов в нейронах, и клетки начинают усиленно производить белки ионных каналов и рецепторов — как для болевых сигналов (вроде TRPV1), так и для того, чтобы продолжать подстраиваться под интенсивность импульсов (за это отвечает NMDA-рецептор). А чем больше на мембране нейрона оказывается «приемников» для сигнала, тем легче он на него реагирует, то есть тем более возбудимым становится. И такой приступ повышенной чувствительности может приключиться с нейроном на любом уровне болевой матрицы, что в спинном мозге, что в головном.

Другой причиной сенситизации может быть не точечная поломка, а нарушение в самой структуре нейронной цепочки. Например, если не работает система торможения боли, которая в норме подавляет активность болевых центров. Чем меньше тормозных сигналов получает центр боли, тем легче он возбуждается — а значит, тем более слабый болевой импульс получает шанс проскочить сквозь него наверх, в сознание. Что-то похожее происходит во время наркотической ломки: у заядлых «юзеров» собственная противоболевая система оказывается ненужной и перестает производить опиоиды. Когда наркотик в организме заканчивается, лишние импульсы блокировать некому — и человек начинает чувствовать боль даже от внутренних органов, которую в норме никогда не испытывал.

Примерно по такому принципу возникает боль и от двух металлических пластинок разной температуры (это называется термической грилевой иллюзией).

Пластинка для гриллевой иллюзии, температура измерена с помощью инфракрасной камеры. А — горячий стимул, B — холодный, C — смесь стимулов, D — контрольный стимул / Fredrik Lindstedt et al. / PLOS ONE, 2011

Представим себе для начала, что к коже прикладывают только холодную пластинку. Холод одновременно возбуждает и обычные холодовые рецепторы, и болевые. Сигналы от них идут в головной мозг по двум параллельным путям. Неболевой сигнал приходит в островок (небольшой участок коры примерно в районе виска), болевой — в поясную извилину (обширный участок коры, идущий от передней к задней части головы). Но тут есть один нюанс: островок связан с поясной извилиной тормозными волокнами, и когда он возбуждается, никакой боли мы не чувствуем.

Но вот пластинок стало две: холодная и теплая. Сигналы холода и тепла встречаются на уровне спинного мозга и гасят друг друга. Поэтому никакого температурного сигнала головной мозг не получает, и островок не возбуждается. Зато болевой путь работает, как и прежде, возбуждая поясную извилину, — а затормозить ее некому. Отсюда и берется боль.

Похожим образом устроены и фантомные боли — когда у человека болит, например, ампутированная рука. Вместе с потерей руки организм теряет и сигналы от ее неболевых рецепторов, тактильных и температурных. Центру боли не хватает тормозных сигналов, и возбудить его становится гораздо легче. В результате фантомные боли могут появиться не только у тех, кто лишился какой-нибудь части тела, но и людей, вовсе родившихся без той или иной конечности. В этом смысле не так важно, на месте ли рука или нога, — важно только, на месте ли центр боли в спинном мозге, и есть ли кому его вовремя притормозить.

Скажите «аааа!»

Столкнуться с грилевой иллюзией в жизни приходится не каждому, а вот боль «из ниоткуда» — куда более распространенное явление.