Инна Вартанян - Коснуться невидимого, услышать неслышимое

• Название: Коснуться невидимого, услышать неслышимое
• Автор: Инна Вартанян
• Издательство: Наука, Ленинградское отделение
• Жанр: Биология
• Год: 1985

В книге обобщены представления о деятельности органов чувств, полученные с помощью классических методов, и результаты оригинальных исследований авторов, основанных на использовании в качестве раздражителя фокусированного ультразвука. Обсуждаются вопросы, связанные с применением фокусированного ультразвука для изучения тактильных, температурных, болевых и слуховых ощущений человека, с его действием на зрительную и электрорецепторную системы животных. Рассмотрены некоторые аспекты клинико-диагностического применения фокусированного ультразвука, перспективы изучения и протезирования сенсорных систем с помощью искусственных раздражителей.

---

Но как «подобраться» к улитке, расположенной глубоко в височной кости, откуда фокусировать ультразвук на улитковый лабиринт, в котором расположены рецепторы? Направить ультразвук через ухо, естественным путем, нереально. В наружном слуховом проходе, в полостях среднего уха и сосцевидного отростка содержится воздух. Затухание ультразвука в воздухе очень велико, потребуется значительное увеличение интенсивности, а это невыгодно по целому ряду соображений. И главное — это может быть опасно: вспомним, что фокусированный ультразвук большой интенсивности начали использовать прежде всего для разрушений. Направить ультразвук в лабиринт через теменную или затылочную области мешают волосы — они задерживают ультразвуковую энергию, переводят ее в тепло, ненужное в данном случае. Фокусировать ультразвук через лоб могут помешать заполненные воздухом лобные пазухи. По размерам они очень отличаются у разных людей. Наиболее выгодной для фокусирования оказалась область, расположенная кверху и кпереди от основания ушного козелка. В глубине от поверхности кожи в этой области, на 30—40 мм, расположен улитковый лабиринт. Височная кость, в которой он находится, — одна из самых сложно устроенных костей черепа, со множеством изгибов, выступов и впадин. Поэтому сфокусировать ультразвук на слуховые рецепторы далеко не так просто, как в воде или другой однородной среде. Чтобы максимально точно направить ультразвук к так называемой пирамиде височной кости, в которой расположен улитковый лабиринт со слуховыми рецепторами, пришлось разработать и изготовить специальную координатную систему, использовать новые методические приемы.

Человека укладывают на бок. Голова — на специальной подушке, позволяющей лежать удобно и таким образом, чтобы указанная проекционная область возле козелка находилась в горизонтальном положении. Рядом — стойка с подвижной перекладиной, направленной к голове испытуемого. На перекладину крепят фокусирующий излучатель ультразвука, координатное устройство и полиэтиленовый мешок с водой (рис. 19). Рассмотрим подробнее координатную систему, изображенную на рисунке. Ультразвуковой излучатель опущен в воду (координатным устройством он может перемещаться в мешке в разные стороны с точностью до 0.5 мм). Сбоку от мешка — дугообразный кронштейн с длинным, закругленным на конце стержнем. Кончик стержня — указатель фокуса — отмечает место расположения центра фокальной области излучателя. Если указатель касается кожи, то именно в месте соприкосновения и находится центр. Кожа служит уровнем отсчета расстояния при перемещении фокальной области в глубинные ткани. Уже указывалось, что улитковый лабиринт углублен на 30—40 мм, считая от проекционной точки на коже. Как практически направляют в улитку фокальную область излучателя? Испытуемого предупреждают, что его голова должна быть неподвижна. Затем экспериментатор двигает излучатель ультразвука с помощью координатного устройства таким образом, чтобы кончик указателя фокуса оказался в проекционной точке на коже у козелка. Указатель фокуса снимают, полиэтиленовый мешок, в котором находится ультразвуковой излучатель, приводят в соприкосновение с кожей головы так, чтобы мешок слегка прижимал голову к подушке. При этом мешок препятствует непроизвольному смещению головы. Стенка мешка соприкасается с кожей головы через прослойку вазелина. Остается переместить в мешке излучатель ближе к голове на заданное расстояние, например 35 мм, и фокальная область будет совмещена с улитковым лабиринтом. Теперь можно приступить к воздействию ультразвуком.

Рис. 19. Координатная система для ультразвукового воздействия на слуховой лабиринт человека.

Для экспериментов на животных также изготавливают координатные системы, соответствующие виду животного и задачам исследования. Очень подходит для экспериментов с ультразвуком лягушка — животное, приспособленное к обитанию в воде. Передачу ультразвуковой энергии лягушке можно осуществлять в воде, что значительно уменьшает потери акустической энергии по сравнению с другими жидкими средами и тем более воздухом. Одна из таких систем схематично изображена на рис. 20. Излучатель неподвижен. Животное располагается в ванночке с отверстием, через которое проходит ультразвук. Ванночку можно передвинуть ближе или дальше по отношению к излучателю, меняя тем самым расположение центра фокальной области. Не будем останавливаться на деталях совмещения центра фокальной области с местом воздействия ультразвуком, так как они различны в зависимости от задач исследования, требований к точности совмещения и оценки результатов.

Рис. 20. Схема экспериментальной установки для воздействия фокусированным ультразвуком на слуховой лабиринт лягушки.

1 — обездвиженная лягушка в воде, 2 — пластина, на которой расположено животное, 3 — перемещающаяся по вертикальной оси ванночка с водой, 4 — кожух фокусирующего излучателя, 5 — фокусирующий излучатель ультразвука, 6 — расположение центра фокальной области излучателя, 7 — звуковой динамик, 8 — вода.

Вернемся к человеку. Если при совмещении фокальной области излучателя с улитковым лабиринтом подавать ультразвук непрерывно, то он не вызовет каких-либо слуховых ощущений. Напомним, что речь идет об ультразвуке частотой в диапазоне 0.4—5 МГц. При действии ультразвука частотой ниже 0.225 МГц слуховое ощущение возникает. Это очень высокий тон, причем его высота остается постоянной с изменением частоты ультразвука. С увеличением частоты от 20 кГц — верхней границы слухового диапазона — до 225 кГц возрастают лишь пороги слухового ощущения. Итак, в нашем случае непрерывно излучаемый ультразвук не вызывает слуховых ощущений. Однако стоит только применить импульсы ультразвука длительностью, например, около 1 мс каждый с разной частотой их следования или промодулировать ультразвук по амплитуде каким-либо сигналом из диапазона слышимости человека, как появится слуховое ощущение в соответствии с частотой следования стимулов (импульсов) или с частотой и характером амплитудной модуляции. Допустим, модуляция производилась синусоидальными сигналами или речью — человек услышит соответственно чистый тон или речь. Если предъявлять отдельные импульсы ультразвука, будут слышаться щелчки.

В экспериментах на лягушках использовали как ультразвуковые, так и звуковые стимулы. Регистрировали электрическую активность, вызванную стимулами в слуховой зоне среднего мозга. Оказалось, что можно подобрать звуковые и ультразвуковые стимулы таким образом, что они при околопороговых интенсивностях вызывали сходные электрические ответы. При увеличении интенсивности ответы на ультразвук менялись по сравнению с ответами на звук. Уменьшался скрытый период, т. е. время от начала предъявления стимула до появления электрического ответного сигнала; круче возрастала амплитуда сигнала, а последующее ее уменьшение становилось более пологим. Особенно отчетливо различия выступали при интенсивности звуковых и ультразвуковых стимулов выше 35—40 дБ над порогом обнаружения ответной реакции.

Различия в характере ответных электрических реакций на звук и ультразвук дали основание предполагать, что при небольших интенсивностях звук и ультразвук активируют преимущественно рецепторный аппарат. С увеличением интенсивности ультразвук начинает активировать проводниковые структуры, в частности волокна слухового нерва. Исследования с применением гистохимических методов окраски слуховых рецепторных клеток и волокон слухового нерва в сочетании с электрофизиологическими данными подтвердили, что при интенсивностях до 35—40 дБ над порогом действие звука и ультразвука сходно. При больших интенсивностях ультразвука рецепторные клетки отвечают признаками утомления, а электрический ответ возникает преимущественно в результате активации ультразвуком волокон слухового нерва. Активирующее действие ультразвука на волокна подтвердилось в экспериментах с разрушением рецепторного аппарата. В этих случаях электрические ответы из слуховых областей среднего мозга регистрировались при интенсивности ультразвука около 40 дБ и выше над порогом ответной реакции функционирующего рецепторного аппарата и были аналогичны уже описанным ответам, отличавшимся от реакции на звук.

Как уже указывалось, наблюдения на животных имеют аналогии в клинико-физиологических исследованиях. Известно, что у некоторых людей глухота вызвана поражением рецепторного аппарата. Таким людям не помогает лекарственное и оперативное лечение. Медицина пока лишена возможностей восстанавливать рецепторы. Не помогают также современные слуховые аппараты, являющиеся по существу миниатюрными усилителями звука. И это вполне понятно: как ни усиливай звук, человек все равно не услышит его, если не имеет соответствующего приемника — рецепторного аппарата. В то же время установлено, что у большинства таких людей в какой-то степени сохранена функция волокон слухового нерва. Начиная с 1957 г. за рубежом предпринимаются попытки активировать волокна электрическим током с помощью электродов, вводимых в слуховой нерв или в ушной лабиринт. Попытки бывают успешными: под действием тока у человека возникают слуховые ощущения. Применяя различные электрические сигналы, подаваемые через электроды, удается ранее глухим людям вводить слуховую информацию. После специального обучения некоторые из них оказываются способными воспринимать достаточно сложную информацию, в том числе музыку и речь.