И. А. Вартанян, Е. М. Цирульников

Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Действие фокусированного ультразвука на органы чувств и мозг

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Предисловие

В книге, предлагаемой вниманию читателя, впервые популярно рассказывается о новой области науки, связывающей технику, биологию и медицину.

Ультразвук, фокусирование которого технически разработано, обладает свойствами поистине уникальными для его использования в медико-биологических исследованиях и непосредственно в клинике. Пожалуй, только электрический ток способен вызывать столь разнообразные функциональные реакции, когда его применяют в качестве раздражителя. Однако при электрическом воздействии на глубинные структуры к ним необходимо подвести электроды, а для этого, естественно, нужно оперативное вмешательство. Ультразвуку не преграда мягкие ткани по пути к заданному глубокому участку, стоит только совместить этот участок с фокальной областью излучателя, в которой сконцентрирована ультразвуковая энергия. Кроме того, при электрическом воздействии трудно обеспечить строгую локальность, при использовании же фокусированного ультразвука это легко достижимо.

Давно не ново утверждение, что развитие науки находится в тесной взаимосвязи с развитием методов исследования. В области физиологии органов чувств и многих областей медицины методы ультразвукового воздействия позволили получить экспериментальные результаты, не укладывающиеся в традиционные представления. Тем самым стимулируется развитие дальнейших исследований, появление новых гипотез и коррекция старых. Например, результаты ультразвуковых исследований температурной рецепции существенно модифицируют наиболее распространенную гипотезу о существовании самостоятельных рецепторных систем тепла и холода. В свете полученных данных более убедительной становится гипотеза о единой рецепторной системе, работающей в разных режимах. В физиологии слуха исследования с помощью фокусированного ультразвука укрепляют гипотезу о преимущественно временном кодировании сигналов слуховой системой и приводят к необходимости пересмотра устоявшихся воззрений на функцию слухового органа — улитки.

Читателю — неспециалисту было бы трудно ориентироваться во множестве интересных, но весьма узко направленных разделов без разъяснения общих представлений о функции органов чувств и методических подходов к ее изучению. Таким своеобразным путеводителем можно рассматривать введение и первую главу, ибо они содержат краткую, но достаточно исчерпывающую сводку современных взглядов на функцию органов чувств. В похвалу авторам можно отметить, что, популяризируя, они не прибегали к нарочитым упрощениям и не затушевывали нерешенные или спорные вопросы.

Последующие главы включают оригинальные экспериментальные подходы к изучению органов чувств, основанные на использовании фокусированного ультразвука. При этом читатель получает материал «из первых рук», так как авторы принимали непосредственное участие в большинстве освещаемых исследований. Этот материал должен быть интересен не только для широкого читателя, но и для специалистов — в первую очередь биологов и медиков, а также для физиков и инженеров. Независимо от того, убедят или нет читателя представленные авторами гипотезы, они, вероятно, стимулируют его интерес к рассмотренным проблемам и к более углубленному знакомству с отдельными вопросами уже по специальной литературе.

Перед вами популярная книга, но это не подразумевает легкого чтения. Материал, как теперь часто говорят, «находится на стыке разных наук». А отсюда следует, что представителям технических дисциплин может показаться недостаточным уровень формализации, биологам — уровень обобщения, медикам захотелось бы побольше подробностей, неспециалистам — поменьше терминов, и т. д. Однако все это — неизбежные препятствия в таких случаях, и думается, что в целом авторы их преодолели.

Хочется пожелать, чтобы книга имела побольше читателей, а новое направление в науке приобрело больше сторонников.

Докт. техн. наук Л. Р. Гаврилов

Введение

Передача человеку информации с помощью различных технических средств играет существенную и все возрастающую роль во всех областях его жизнедеятельности. Несмотря на то что уже существует масса способов и искусственных систем, предназначенных для информационного обеспечения людей в самых разнообразных условиях, разработка подходов к проблемам передачи, приема, обработки, хранения и воспроизведения информации привлекает внимание все большего числа исследователей, и главное — биологов. Это объясняется прежде всего тем, что каковы бы ни были теоретические возможности, конструкции и принципы работы тех или иных технических устройств, поиск новых систем ориентируется в первую очередь на их практическое использование с непременным учетом возможностей восприятия человека, поскольку именно человек в данном случае является монопольным потребителем информации, выступая в качестве конечного звена подобных систем.

Человек легко ориентируется в окружающем мире. Воспринимая внешние раздражители, сравнивая полученные сведения с предшествующим опытом, он формирует целесообразное приспособительное поведение. Все это происходит как бы само собой. Именно поэтому складывается впечатление, что операции, связанные с процессом восприятия, просты, полностью обеспечиваются органами чувств и определяются свойствами внешнего мира.

Однако из опыта создания машин и устройств, воспринимающих информацию и способных распознавать образы, известно, что результаты, полученные в самых современных технических системах, значительно ниже возможностей восприятия даже примитивных позвоночных животных. Следовательно, биологические системы наделены такими способностями, располагают такой надежностью, не говоря уже о малогабаритности, которые еще не реализованы в технике.

Можно привести множество примеров уникальных сочетаний свойств органов чувств, обусловливающих их исключительную чувствительность и огромные способности к различению, высокую надежность и помехоустойчивость. Так, абсолютная чувствительность слуха ограничена лишь величиной броуновского движения молекул воздуха. Ориентировка в пространстве обеспечивается совместной и согласованной деятельностью многих органов чувств и сохраняется в полном объеме даже в случае повреждения одного из них за счет компенсаторных возможностей других. Именно поэтому не следует забывать, что ориентировка «на ощупь» — это не просто прикосновение. Это исследование внешнего мира, которое требует от организма активного поиска. И форму, и протяженность, и качество ощупываемого предмета можно определить не осязанием, а только единым чувством, связывающим внешний предмет и внутреннее пространство, создаваемое на основе оценки движений мышц, суставов, связок.

Восприятие как в пределах одной сенсорной системы, так и при совместной деятельности разных систем обусловливается не только свойствами внешнего мира. Оно в значительной степени зависит от многих составляющих: состояния здоровья человека, его потребностей, эмоций, мотивации и др. Восприятие направляется вниманием и определяется предшествовавшим опытом. Следовательно, проблема соотношения свойств внешнего мира и возможностей их восприятия человеком с учетом внутренних факторов и обучения была и остается одной из центральных в изучении органов чувств.

Поиск и применение способов стимуляции (раздражения) органов чувств и передачи человеку информации направлены на решение различных практических и теоретических задач. К их числу относится создание новых и взаимозаменяемых каналов передачи информации в условиях сенсорных перегрузок, выяснение возможностей компенсации сенсорных функций при повреждении или утрате какого-либо органа чувств. Это также применение различных видов энергии в качестве стимулов сенсорных систем и оценка степени их влияния на другие функции организма. И наконец, трудно переоценить значение исследований восприятия искусственных раздражителей с количественно регулируемыми параметрами.

Потребности фундаментальной науки и практического применения новых методических подходов оказываются неразрывно связанными и взаимно обусловленными. Тем самым обеспечивается выявление общих и специфических закономерностей в деятельности сенсорных систем, установление количественной оценки взаимосвязей раздражения и ощущения, разработка способов введения информации человеку в различных условиях его деятельности, при сохраненных или утраченных вследствие патологических процессов органах чувств.

За последнее время в медицину было внедрено значительное число различных физических методов, среди которых одно из ведущих мест занимают ультразвуковые методы диагностики, хирургии и терапии. Ультразвуковые диагностические приборы используются в акушерстве и гинекологии, онкологии, офтальмологии, нейрохирургии и в некоторых других областях медицины. Ультразвуковые терапевтические аппараты помогают при лечении невралгии, радикулита, артритов, различных травм, заболеваний желудочно-кишечного тракта. Расширяется сфера применения ультразвука в хирургии, в фармакологии и фармацевтической промышленности. Ультразвуковые методы стали использоваться в биохимических и биофизических работах с целью изучения свойств органических веществ, функции структур живой клетки и целостного организма.

Возможность фокусирования ультразвука в небольшой по размерам (фокальной) области создала условия для локального воздействия на определенные глубокие участки организма без каких-либо существенных влияний на окружающие ткани. В исследованиях отечественных авторов были предприняты и увенчались успехом систематические поиски структур, чувствительных к раздражающему действию фокусированного ультразвука.

Впервые именно в нашей стране сформировалось новое направление в изучении физиологии сенсорных систем, ставящее своей целью выяснение возможности использовать фокусированный ультразвук для введения информации по различным сенсорным каналам. О работах в этом направлении, о попытках прикоснуться к невидимому и услышать неслышимый ультразвук, о трудностях, с которыми встречаются исследователи на этом пути, и о перспективах ультразвукового способа воздействия на органы чувств и мозг рассказывается в предлагаемой вниманию читателей книге.

Глава 1. Органы чувств и ощущения

Прямой контакт организма с внешним миром обеспечивается поверхностными (кожными) структурами. Осязание, температурное и химическое чувства являются первоначальными, наиболее древними чувствами. У высокоорганизованных животных контактная чувствительность также имеет огромное значение: без восприятия границы между Я и не-Я, между организмом и его окружением не может быть ощущения «самого себя». Граница эта не психологическая, а физиологическая, определяемая нервным аппаратом — жизненно важными поверхностными структурами кожи — этой первой «зоны раздела» между организмом и окружающим миром. Деятельность интероцепторов (т. е. рецепторов, расположенных во внутренних органах и тканях) как осознанная (например, ощущение напряжения мышц, движения в суставе, степени наполнения желудка и т. д.), так и неосознанная (например, деятельность мышечных рецепторов, обеспечивающих контроль движений) является также необходимой предпосылкой и частью комплекса ощущений, лежащих в основе адекватного отражения внешнего мира.

Опосредованный контакт с внешним миром обеспечивается дистантными органами чувств. Например, зрительная система воспринимает свет, представляющий собой электромагнитные волны с определенными периодическими свойствами, длинами волн. Слуховая система воспринимает звук — колебания частиц среды, чередование сгущений и разрежений. На основе слухового восприятия колебаний среды можно сделать вывод и о свойствах источника этих колебаний, о свойствах среды.

Мы знаем, однако, что частоты колебаний ниже и выше воспринимаемых ухом человека (инфра- и ультразвуки) также оказывают заметное влияние на ряд показателей деятельности животных и человека. Например, низкочастотные звуки большой интенсивности оцениваются человеком как прикосновение. С этой точки зрения подобные звуки являются воспринимаемыми. Известно, что многие животные слышат эти неслышимые человеком звуки и даже используют их для ориентации в пространстве. Известно также, что волны, находящиеся за пределами возможностей зрительного восприятия человека, в ультрафиолетовой части спектра, влияют на зрение рептилий и некоторых насекомых, а у человека вызывают четкие кожные реакции и изменение общего состояния организма. Недоступные зрению инфракрасные лучи являются мощным тепловым раздражителем кожных покровов.

Что же кроется в этом «безмолвии» неслышимых звуков и во «тьме» невидимых лучей? Как коснуться невидимого и услышать неслышимое? Можно ли использовать каким-либо образом в качестве раздражителей органов чувств те физические свойства внешнего мира, которые находятся за пределами уже известных возможностей восприятия их человеком или животным? Чтобы попытаться ответить на эти вопросы, необходимо в первую очередь рассмотреть некоторые данные о структурах, системах и процессах, обеспечивающих восприятие внешних раздражителей различного качества.

Информация и раздражители

Какими бы ни были механизмы и процессы, лежащие в основе восприятия и реализации различных форм поведения, они обусловлены прежде всего информационной структурой внешнего мира. И хотя большинство организмов воспринимают лишь малую часть информации, которая определяется физическими свойствами внешней среды, этого оказывается достаточным для формирования адаптивного поведения.

Между организмом и средой существует «зона раздела». Именно в этой зоне физические процессы, связанные с предметами, явлениями и событиями внешнего мира, превращаются в содержание той информации, которой оперирует организм. В качестве «зоны раздела» между источниками информации и организмом можно рассматривать не только поверхностные нервные структуры, воспринимающие раздражители, но и все «вспомогательные» структуры, преобразующие различные формы сигналов в тот вид, которым владеет организм на основе врожденных качеств или овладевает на протяжении жизни в процессе обучения. Итак, первые «зоны раздела» — это системы, преобразующие разные формы воздействия в так называемый нервный код. Код содержит информацию, которая, будучи преобразованной в воспринимающих структурах — органах чувств — и переданной в мозг, используется организмом для оценки качества внешнего мира и обусловливает основные качества биологического отражения (рис. 1).

Рис. 1. Информация о действующих сигналах и свойствах биологической воспринимающей системы.

Получаемая нервной системой информация, представленная уже в виде нервного кода, должна пройти следующую «зону раздела», где после формирования ощущения код превращается в «образ», и только тогда процесс воздействия на организм переходит в процесс восприятия воздействия. Именно процесс осознания, или интерпретации сенсорного сообщения, является той вехой, которая отделяет сенсорные процессы от перцептивных. Наконец, третья «зона раздела» — это переход от восприятия к ответу, к действию, которое предваряется принятием решения на основе наследованно закрепленных программ и обучения. Реакция организма может быть активной — реализуемой в движении, и пассивной — в бездействии, отсутствии видимого наблюдателем ответа. И в том и в другом случае — это ответ организма на воздействия, на поступившую, преобразованную и воспринятую информацию (рис. 1).

Биолог-экспериментатор, исследующий деятельность органов чувств, этих «входных ворот информации», содержащих несколько «зон раздела», сталкивается со множеством сложных, спорных, а подчас и неразрешенных вопросов. Условия здесь диктует природа, поскольку любая биологическая организация — это система, заданная длительной эволюцией, система многокомпонентная, саморегулирующаяся, единая и вместе с тем постоянно взаимодействующая со множеством других систем. Несомненно, что аналитический подход к изучению биологических систем, подход, широко использующий методы точных наук, является необходимым и первым шагом на пути раскрытия закономерностей деятельности системы как единого целого. Именно аналитическими методами, с использованием достижений физики, химии и других наук, изучены многие фундаментальные вопросы физиологии сенсорных систем. Очевидно также, что аналитический подход, столь плодотворно использующийся на протяжении последних 100 лет в экспериментальной физиологии и далеко не исчерпавший себя, должен дополняться системными изучениями организма как единого целого, с учетом деятельности его составных частей в их взаимодействии и взаимообусловленности.

В последнем случае, однако, возникают особо сложные в методологическом отношении проблемы. Известно, например, что значительная часть информации, получаемой организмом, не реализуется в виде конкретного образа, и более того, вообще не доходит до сферы сознания. Это не значит, однако, что организм не отвечает на данный раздражитель и, соответственно, на передаваемую сенсорной системе информацию. Отсутствие ощущения, двигательной реакции или речевого ответа отнюдь не означает полного отсутствия восприятия данного раздражителя. Используя психофизиологический эксперимент, направленный на изучение соотношения и соответствия раздражителя, ощущения и реакции, исследователь одновременно может применять методы оценки непроизвольных физиологических показателей, проводить параллели или корреляции между стимулами и реакциями, а также учитывать промежуточные этапы, которые в терминах нейрофизиологии описываются как процессы передачи и переработки информации в нервной системе животных. Особое значение приобретает использование идентичных стимулов в исследованиях реакций животных и человека, равно как и применения количественно сравнимых измерений стимулов и реакций. Системный подход к изучению сенсорных процессов, не расчленяющий целостный акт восприятия на процессы чисто сенсорные и прецептивные, является важнейшей задачей будущих исследований, хотя первые шаги в этом направлении делаются уже в настоящее время.

Независимо от пути, подхода и метода изучения сенсорного восприятия для исследователя очевидно, что полнота восприятия предметов и явлений окружающего мира обусловлена не только количеством информации, содержащейся в окружающей среде, но и свойствами, особенностями и ограничениями воспринимающих систем. И каким бы множеством качеств ни обладал воспринимаемый объект, его внутреннее разнообразие будет полнее представлено в более сложной высокоорганизованной системе, состоящей из множества элементов, способных фиксировать различные свойства воздействия (раздражителя).

Раздражители органов чувств можно разделить по крайней мере на две большие группы: адекватные (если для стимуляции применяется тот же вид энергии, к которому данный орган чувств наиболее чувствителен) и искусственные (если для стимуляции применяется любой вид энергии, вызывающий, однако, такие изменения в органах чувств, которые приводят к ощущению). Адекватные стимулы — это зрительные (световые), слуховые (звуковые), кожные (механические, температурные, болевые), вкусовые (растворы химических веществ), обонятельные (пахучие вещества) раздражители. Адекватная стимуляция может быть физиологической, если ее величина лежит в пределах диапазона нормальной функции органа чувств, и нефизиологической, если вызывает патологические изменения в соответствующем органе или в организме. Когда адекватная стимуляция состоит из элементов, присутствующих в естественной окружающей среде, то она рассматривается как натуральная. Примером натуральной стимуляции может служить использование зрительных раздражителей, моделирующих движение насекомого в поле зрения лягушки, для которой насекомое является добычей. Как натуральный слуховой стимул можно рассматривать звуковые сигналы животного, подтверждающие наличие пищи или сигнализирующие об опасности. В случае натуральной стимуляции экспериментатор имеет дело с множеством параметров, описываемых физическими и математическими или химическими методами. Оказывается необходимым также принимать во внимание биологические аспекты подобной стимуляции. Поэтому многие исследователи предпочитают иметь дело лишь с ограниченным набором легко контролируемых параметров стимуляции.

Искусственная стимуляция связана с применением раздражителей, не несущих тот вид энергии, который в обычных условиях раздражает данный орган чувств. Это, например, механическое раздражение глаза, электрическое раздражение рецепторов органов чувств и нервов. Во многих случаях искусственное раздражение нефизиологично и неадекватно. Например, электрическое раздражение нервов млекопитающих, которые в отличие от многих рыб не имеют специализированной электрорецепторной воспринимающей системы и в обычной естественной среде не встречаются с токами такой силы, которая может в экспериментальных условиях раздражать их нервы.

Искусственные раздражители, и в особенности электрический ток, несмотря на неадекватность, явились, однако, мощным инструментом аналитического изучения важнейших закономерностей деятельности органов чувств и нервной системы. Применение таких раздражителей в диапазонах, не вызывающих необратимых изменений тех структур, к которым они приложены, позволяет исследователям, например, надеяться на компенсацию утраченной сенсорной функции в тех случаях, когда повреждены воспринимающие поверхности — эти первые «зоны раздела», — за счет непосредственного действия на волокна сенсорных нервов.

И все-таки многолетний опыт, накопленный трудом физиологов, биологов и врачей-клиницистов, свидетельствует о том, что непременным условием нормального восприятия являются неповрежденные рецепторные воспринимающие структуры и вовремя обученный, «компетентный» мозг.

Рецепторы и проблема сенсорной специфичности

Рецепторы — это специализированные структуры биологического объекта, сигнализирующие об изменениях в окружающей внешней и внутренней среде организма. В самом общем виде по локализации рецепторы разделяются на «экстероцепторы» и «интероцепторы». Первые расположены в местах, открытых для воздействия внешних раздражителей, и воспринимают прикосновения, изменения температуры, звуковые колебания, освещенность, запахи, электрические поля и другие стимулы. Интероцепторы находятся в глубинных тканях и органах — мышцах, сухожилиях, надкостнице, внутренних органах и мозге. Они воспринимают мышечные сокращения, положение частей тела и всего организма в пространстве, давление крови в сосудах, ее химический состав, степень наполнения кровью полых органов, сигнализируют о внутреннем состоянии и деятельности биологического объекта. Рецепторы — это окна во внутренний и внешний мир живого организма, это посредники между окружающей средой и нервной системой, это преобразователи одной формы энергии в другую.

В зависимости от вида раздражителей, существующих как во внешней, так и во внутренней среде, рецепторы разделяются на механо-, фото-, хемо- и электрорецепторы, реагирующие соответственно на механические, световые, химические и электрические стимулы. По виду вызываемого ощущения рецепторы классифицируются как слуховые, зрительные, обонятельные, вкусовые, тактильные, температурные, болевые. По дальности расположения воспринимаемого раздражителя рецепторы рассматриваются как «дистантные» и «контактные». Разделяются рецепторы также по их структурным признакам.

Даже простое перечисление существующих классификаций рецепторов свидетельствует о том, что в некоторых отношениях эти классификации несовместимы, хотя может быть принята любая из них, в зависимости от задач исследования и описания существующих данных. Всякий человек, например, у которого хоть раз в жизни болел зуб, знает о том, что боль вызывается и механическими, и температурными, и химическими воздействиями. В связи с этим возникает вопрос: почему болевые (по ощущению) рецепторы воспринимают одинаково совершенно различные по своим физическим свойствам раздражители? Может быть, специализированных рецепторов боли вообще нет, а передается она теми же рецепторами, которые при нормальном состоянии организма воспринимают механические, тактильное или температурное, а возможно, и химическое раздражение?

Рассмотрим другой пример. Слуховые рецепторы воспринимают звук, источник которого располагается на значительном расстоянии от уха, и с этой точки зрения являются «дистантными». Оказывается, однако, что непосредственным раздражителем для слуховых рецепторов являются перемещения жидкостей внутреннего уха, возникающие в результате действия колебательных процессов (звука), происходящих во внешней среде. Следовательно, по механизму действия слуховые рецепторы являются «контактными». С другой стороны, осязание, обеспечивающееся деятельностью тактильных и температурных рецепторов, формируется как ощущение только при условии непосредственного контакта раздражителя с соответствующей рецепторной поверхностью. В то же время прикосновение предмета к кожной поверхности позволяет человеку составить его характеристику по разным качествам (гладкость, форма, температура), получить образ, спроецировать его во внешнюю среду.

Обонятельные рецепторы реагируют на запахи предметов, располагающихся на известном расстоянии, т. е. «дистантно», но по механизму действия молекул пахучих веществ представляют собой типичный пример контактного рецептора.

Даже ограниченный набор приведенных примеров, который можно было бы продолжить, свидетельствует о том, что рецепторы пока не поддаются рациональной классификации на единой, непротиворечивой во всех отношениях основе.

Приведем варианты классификации рецепторов:

1) по ощущению — зрительные, слуховые, вкусовые, обонятельные, тактильные, температурные, болевые,

2) по механизму действия — хеморецепторы, механорецепторы, электрорецепторы, фоторецепторы, терморецепторы, осморецепторы,

3) по восприятию дальности раздражителя — дистантные, контактные,

4) по локализации — экстероцепторы, интероцепторы,

5) по месту приложения стимула — первично чувствующие, вторично чувствующие,

6) по структуре — свободные нервные окончания, инкапсулированные нервные окончания, специализированные сенсорные нейроны, сенсорные эпителиальные клетки, ресничные рецепторы

Для удобства дальнейшего представления материала мы выбрали классификацию рецепторов по типу вызываемого у человека ощущения.

Каково же строение рецепторов, обеспечивающих различные типы ощущений? Свободные нервные окончания являются наиболее многочисленными рецепторами у человека и многих млекопитающих животных (рис. 2) Они находятся в поверхностных слоях кожи и эпителиальных покровах — в мышцах, связках, суставах и надкостнице. Эти окончания широко ветвятся, и зоны их ветвления перекрываются (рис. 3). Обнаружено, что свободные нервные окончания связаны с ощущением боли, чувствительны к изменению температуры и механическому раздражению, а также служат для обеспечения химической чувствительности, как например свободные нервные окончания тройничного нерва

Инкапсулированные нервные окончания (рис 4), т. е. окруженные капсулой, как следует из их названия, расположены в коже обычно на глубине, большей, чем свободные нервные окончания. Считается, что многочисленные рецепторы этого типа (тельца Пачини, Руффини, Мейснера, колбы Краузе и другие, названные по имени описавших их авторов) передают сведения о механической деформации лежащих вокруг них тканей и о температурном воздействии. Данные, представленные в приводимой ниже таблице, содержащей далеко не полный перечень рецепторных структур, обнаруженных у человека и животных, свидетельствуют о том, что тактильная, болевая и температурная чувствительность обеспечиваются широким спектром рецепторов.

Рис. 2. Свободное нервное окончание (I) и миелиновая оболочка нерва (II).

При механической деформации открываются «поры» (1), через которые идет ток ионов (2). Этот ток в электровозбудимой части нерва (3) генерирует электрический нервный импульс.

Специализированные сенсорные нейроны (первичные сенсорные клетки) обнаружены в различных поверхностных структурах животных. Например, вкусовые рецепторы насекомых, рецепторы внутренней поверхности брюшка рака, так называемые сенсорные волоски (например, вибриссы), соприкасающиеся с корнями волос, по мнению большинства исследователей, являются рецепторами изменений давления. Описаны также рецепторы такого типа, воспринимающие токи воздуха, положение суставов, вибрации. Наиболее высоко специализированными сенсорными нейронами с длинными центральными отростками являются обонятельные клетки (рис. 5).

Рис. 3. Сенсорные образования в подушечках лап домашней кошки.

Цифры — процент встречаемости. Ясно, что существует множество разновидностей рецепторных структур. Есть точка зрения, согласно которой уровни развития и сложности структур образуют последовательность от свободных нервных окончаний к специализированному рецептору — тельцу Пачини, показанному на рис. 4.

Рис. 4. Тельце Пачини (схема) — поперечный разрез.

1 — капсула, 2 — чувствительное окончание, 3 — перехват Ранвье. Капсула имеет слоистое строение, а центральный стержень, представляющий собой чувствительное нервное волокно, со всех сторон «одет» в капсулу

Вторичные сенсорные клетки (или сенсорные эпителиальные клетки) отличаются тем, что, являясь модифицированными эпителиальными клетками, контактируют с одним или несколькими афферентными нейронами, несущими информацию о раздражителе к центрам мозга. Это вкусовые клетки (рис. 6, А), многие так называемые волосковые клетки, расположенные, например, в статоцистах — органах равновесия, различные слуховые рецепторы (рис. 6, Б). В таблице прослеживается соотношение структуры и функции различных рецепторных образований. Это, однако, их основная функция. Помимо нее, как уже отмечалось, каждый вид рецепторов может воспринимать и другие виды раздражителей. Тактильные рецепторы, например, реагируют на звуки и вибрации, вкусовые рецепторы возбуждаются также механическим и температурным стимулом, а зрительные рецепторы при сильном механическом раздражении вызывают ощущение вспышки света. Таким образом, мы сталкиваемся здесь с одним из кардинальных вопросов физиологии органов чувств — с сенсорной специфичностью. Очевидно, что только разрешив его, мы найдем ответы на поставленные выше вопросы о функциональной предопределенности различных рецепторов.

Типы рецепторов кожи и внутренних органов, их локализация и возможная функция

Тип рецептора

Структура

Локализация

Установленная или предполагаемая функции

Свободные нервные окончания

Простые и ветвящиеся немиэлинизированные волокна

Кожа, эпителий, внутренние органы, структуры опорно-двигательного аппарата

Температурная, болевая, тактильная чувствительность

Инкапсулированные нервные окончания

Тельца Пачини

Глубокие слои кожи, подкожная клетчатка, брыжейка кишечника, поджелудочная железа, мочевой пузырь, др. внутренние органы, сосуды

Восприятие механической деформации, высокочастотной вибрации, давления

Диски Меркеля

Волосистая часть кожи, кожа пальцев рук

Ощущение прикосновения

Тельца Мейснера

Кожа стоп, ладоней, губы, язык, соски, половые органы

Тактильная чувствительность

Колбы Краузе

Области кожи в местах перехода в слизистую оболочку

Ощущения холода, тепла, прикосновения

Органы Руффини

Глубокие слои кожи, суставы

Разнообразные виды тактильной чувствительности

Тельца Гольджи — Маццони

То же

То же

Корпускулярные рецепторные органы

Язык, лишенные волос части кожи половых органов

То же

Пластинки Пиикуса

Покрытая волосами кожа человека

То же

Сухожильные органы Гольджи

Граница мышечной и сухожильной тканей

То же

В 1826 г. немецкий исследователь И. Мюллер опубликовал выдвинутую им доктрину о специфической энергии органов чувств. Согласно основному положению этой доктрины, чувствительность каждой возбуждаемой стимулом системы, качество ощущения, вызываемого раздражителем, зависят не от свойств действующего внешнего агента, а от свойств «специфической чувствительности субстанции органов чувств». «Энергии света, темноты или цвета, — писал он, — не принадлежат внешним предметам, причине возбуждения, они присущи самой субстанции зрения» (цит. по: Сомьен Дж. Кодирование сенсорной информации. М.: Мир, 1975, с. 43).

И. Мюллер первый утверждал, что любое раздражение зрительного нерва вызывает зрительное ощущение. Мы знаем теперь также, что температурные рецепторы реагируют, например, на химическое раздражение ментолом или давление, инициируя ощущение холода, а слуховой нерв можно раздражать электрическим током и получить слуховое ощущение. Перечисление подобных примеров можно продолжить. И сегодняшнее обращение к взглядам Мюллера обусловлено несомненным его влиянием на последующие исследования ученых, его глубоким пониманием того, что качество каждого сенсорного раздражителя зависит от активности и специфических свойств определенного сенсорного образования. Фактически в настоящее время, несмотря на более чем 150-летнюю историю вопроса, изучение сенсорной специфичности продолжается и еще далеко от своего окончательного разрешения.

Рассмотрим два аспекта сенсорной специфичности: 1) «локальный знак», показывающий место нахождения стимула в пространстве (для дистантных систем) и 2) модальность, т. е. качество стимула — свет, звук, прикосновение. Основное допущение, которое делали сторонники и последователи закона специфических энергий, состояло в том, что предусматривалось наличие ряда нервных окончаний, чувствительных к различным, но характерным для каждого типа окончаний видам стимуляции (в коже, например, тепло, холод, прикосновение и боль).

В 1862 г. немецкий физик и врач Г. Гельмгольц расширил представления И. Мюллера, высказав предположение о том, что каждое волокно слухового нерва вызывает ощущение звука определенной высоты. Такая детализация нервных элементов, создающих мозаику восприятия, неизбежно привела к представлению о наличии «линий связи» нейронов мозга с определенными периферическими нейронами. И когда к 1884 г. гистологами были открыты и описаны различные нервные окончания и рецепторные органы в коже, а также показаны дискретная природа кожной чувствительности и различия модальности раздражителей в определенных точках кожи, подавляющее большинство исследователей пришло к выводу, что должна существовать непременная зависимость между строением концевых рецепторных органов и специфической энергией органов чувств.

Рис. 5. Рецепторные клетки обонятельного эпителия млекопитающих.

1 — реснички, 2 — рецепторные клетки с аксонами (4), окруженные опорными клетками (3).

Рис. 6. Схемы вкусовой (А) и наружной волосковой слуховой клетки (Б).

А: 1 — рецепторная клетка, 2 — окончания чувствительного нерва. Прерывистые линии обозначают электрический ток, идущий при стимуляции. Б: 1 — стереоцилии — волоски на рецепторной поверхности клетки, 2 — базальное тельце волоска киноцилии, 3 — ретикулярная мембрана, 4 — пластинчатое тельце, 5 — плазматическая мембрана клетки, 6 — митохондрия, 7 — субмембранные пластинки, 8 — пальцевидный отросток, 9 — ядро, 10 — тельце Рециуса с множеством митохондрий, 11 — афферентное (передающее к мозгу) нервное окончание, 12 — эфферентное (передающее в клетку) нервное окончание, 13 — опорная клетка Дейтерса, от которой к поверхности кортиевого органа идет пальцевидный отросток.

В 1895 г. немецкий ученый М. Фрей предложил классификацию рецепторов, соотносящуюся с различными модальностями кожной чувствительности. За последующие 50—70 лет эксперименты Фрея неоднократно проверялись, но полученные разными авторами результаты были противоречивы или в лучшем случае сомнительны. В качестве примера рассмотрим данные, полученные при исследовании роговицы глаза. По Фрею, роговица глаза должна обладать чувствительностью только к холоду и боли, поскольку в ней обнаружены колбы Краузе и свободные нервные окончания. Однако, как выяснилось после проведения множества очень тонких в методическом отношении экспериментов, роговица оказалась чувствительной также к прикосновению и к теплу. Другой пример. Волосистая часть кожи головы и руки чувствительна ко всем видам стимуляции — прикосновению, вибрации, боли, теплу и холоду. А ведь здесь вокруг волосяных луковиц обнаруживаются преимущественно, а местами исключительно, свободные нервные окончания.

Результаты экспериментов, опровергающие точку зрения М. Фрея, были получены и с другой стороны. На тех местах кожи, где отмечаются те же четыре модальности кожных ощущений, обнаруживаются семь и более различных в структурном отношении рецепторов.

Структурное разнообразие рецепторов представляет собой широкое поле для научного поиска их структурнофункционального соответствия и выяснения истинного смысла подобного многообразия. И в то же время следует признать, что жесткая структурная специализация не является обязательным условием восприятия различных модальностей стимула. Перед нами вновь вопрос: каким же образом определить специфическую сенсорную функцию в восприятии различных модальностей раздражителя, если при исследовании каждой сенсорной системы — в особенности системы кожной чувствительности — мы имеем дело со множеством противоречащих друг другу, а подчас и взаимоисключающих фактов о соотношении структуры и функции?

Известно, что стимуляция рецепторных поверхностей различных органов чувств может осуществляться различными видами энергии. Например, в определенных условиях тактильные рецепторы, рецепторы давления в коже, фасциях, мышцах и связках, вестибулярные и даже болевые рецепторы способны реагировать на звуки и вибрации значительной интенсивности. Но ни один из перечисленных видов рецепторов нельзя сравнить с органом слуха по степени чувствительности к воздействию малых акустических энергий и по количеству получаемой таким образом информации о внешнем мире.

По-видимому, та или иная сенсорная система может рассматриваться в качестве специализированной к восприятию определенного вида энергии лишь в том случае, если из всех существующих видов энергии только один оказывается для данной системы наиболее эффективным как по возможности воздействия малых величин этой энергии, так и по количеству получаемой таким образом информации о внешнем мире.

Итак, специализированные сенсорные системы должны быть как можно более чувствительны к определенного рода сигналам, приходящим извне. В то же время необходимо, чтобы в них сохранялось как можно больше деталей энергетической картины, соответствующей нынешнему сигналу. Эти два непременных требования к сенсорной специфичности реализуются различными структурными и функциональными способами, обнаруженными в сенсорных системах.

На рис. 7 представлено расположение рецепторов одной из сенсорных систем — фоторецепторов глаза. Световая энергия распределяется по поверхности, образованной рецепторными элементами. Повышение чувствительности в такой системе достигается тем, что несколько рецепторных клеток присоединяется к одной клетке последующего слоя — к ганглиозной клетке. Поверхность рецепторов, которая проецируется на одну нервную клетку, отдающую волокно в центральную нервную систему, называется рецептивным полем. Чем больше рецепторов присоединено к ганглиозной клетке, тем с большей поверхности «собирается» энергия, тем более чувствительна система. Но при этом выявляется противоречие: чем с большей поверхности суммируются реакции рецепторов, тем ниже способность фиксировать отличия энергетической картины в пределах той же области — рецептивного поля.

Рис. 7. Связи фоторецепторов глаза (1) с ганглиозными клетками сетчатки (2).

Заштрихованные зоны — рецептивные поля ганглиозных клеток.

Каким же образом сенсорные системы выходят из этого противоречия? Реализуется один из важнейших механизмов переработки информации, действующих в нервной системе, — включается так называемое латеральное, или боковое, торможение. Функцией этого торможения является ограничение рецептивного поля. Ограничение рецептивного поля достигается за счет подавления активности рецепторно-нервных элементов, располагающихся в периферических (боковых) зонах по отношению к максимально стимулируемому раздражителем рецептору. Этот механизм, первоначально детально описанный и проанализированный для глаза, вероятно, реализуется во всех сенсорных системах.

Другой механизм ограничения энергетического распределения на рецепторах — вариации ширины рецептивных полей, осуществляемые за счет различий в их структуре. Это особенно демонстративно представлено во внутреннем ухе позвоночных животных (рис. 8). Здесь, как известно, рецепторы, возбуждаемые звуком одной и той же частоты, лежат вдоль определенной области мембраны, колеблющейся с максимальной амплитудой при действии звука этой частоты Но рецепторы этой части мембраны имеют структурно разную иннервацию; множество наружных волосковых клеток связано с одним волокном клетки спирального ганглия, внутренние волосковые клетки иннервируются в соотношении 1:1 или реже 1:2. Тем самым обеспечивается высокая чувствительность (за счет рецептивных полей, связанных с наружными волосковыми клетками) и возможность определения тонких различий энергетической картины звука за счет узких рецептивных полей внутренних волосковых клеток.

Рис. 8. Поперечный разрез через орган слуха — улитку млекопитающих (схема).

1 — внутренняя волосковая клетка, к ней подходит одно афферентное и одно эфферентное волокно, 2 — покровная мембрана, контактирующая с волосками рецепторных клеток, 3 — наружные волосковые клетки. Несколько клеток связаны с одним афферентным и одним эфферентным волокном, 4 — эфферентные волокна (обозначены прерывистыми линиями), 5 — афферентные волокна (обозначены сплошными линиями), 6 — основная мембрана, на которой расположены рецепторные клетки.

Итак, после преобразования энергии в рецепторах специфического вида в сигнал-код последний направляется в высшие нервные центры, располагающие дополнительными механизмами выделения особенностей возбуждения рецепторного слоя сенсорных систем.

Хорошо известен факт неодинаковой чувствительности кожной поверхности к различным видам раздражения. Почему различается чувствительность к разным модальностям раздражителей в одних и тех же точках кожи? Эти вопросы привлекают внимание исследователей на протяжении более 100 лет.

В конце прошлого века детальные работы немецких ученых показали, что чувствительность кожи в одних и тех же точках к различным стимулам неравномерна. Эти данные послужили отправным пунктом для множества исследований на модели кожной чувствительности. Было показано, например, что точки кожи, где ощущалось малейшее прикосновение, не совпадали с теми, где преимущественно возникала боль. Кроме тактильных и болевых точек были обнаружены точки, максимально чувствительные к теплу или холоду. Выявлено, что место максимальной чувствительности к одному раздражителю не совпадает с местом максимальной чувствительности к другому. На основе этих фактов было сделано заключение, что в каждой чувствительной точке должен быть расположен специализированный рецептор.

Впоследствии было показано, что чувствительные точки не остаются постоянно в определенных местах на поверхности тела, а перемещаются в течение дня. Места расположения точек, установленные утром, не совпадали анатомически с теми, которые выявлялись на том же участке кожи в вечернее время. Иногда различия обнаруживались спустя всего несколько часов. Возможно, что подобные изменения места расположения чувствительных точек обусловливаются тремя факторами: во-первых, тем, что точка на самом деле представляет собой более широкую область распределения чувствительных нервных окончаний, характеризующихся определенным градиентом чувствительности за счет различия в порогах. Во-вторых, чувствительность рецепторов может меняться при повторном раздражении (например, привыкание к действию стимула), а также в результате воздействия различных факторов внешней и внутренней среды организма. И наконец, в-третьих, на чувствительность рецепторов к сенсорным раздражителям могут также влиять периодические изменения активности живых систем, так называемые биоритмы. Все эти возможные факторы изучены еще недостаточно, и решение вопросов, связанных с выяснением зависимости сенсорной чувствительности от различных причин, ждет своей экспериментальной разработки.

Интерес исследователей к проблеме «чувствительных точек» связан с тем, что до настоящего времени окончательно не разрешен вопрос о кодировании качества стимула посредством так называемых меченых линий, т. е. о том, обладает ли импульс в определенном волокне неким сенсорным качеством. Пристальное внимание к проблеме точечной чувствительности обусловлено также развитием исследований в области акупунктуры. И здесь не решен ряд вопросов: например, существует ли сенсорная специфичность так называемых точек акупунктуры? В наших работах (см. главу 3) было показано, что при простой перемене места стимуляции импульсным точечным фокусированным ультразвуком может меняться и качество ощущения. В одних точках кожи возникало ощущение прикосновения, в других — укола, в третьих — зуда, в четвертых — тепла или холода. В то же время оказалось, что в одной и той же чувствительной точке могут быть зарегистрированы все типы ощущений — в зависимости от параметров стимуляции и температуры окружающей среды. И если первая группа фактов в некоторой степени свидетельствует в пользу возможного существования меченых линий уже на периферии сенсорной системы, то вторая говорит об ином. В соответствии с ней качественно различные ощущения могут быть вызваны исключительно благодаря различиям параметров стимуляции, их соотношения с характеристиками окружающей среды и расположенных вокруг рецепторов тканей. В последнем случае напрашивается предположение, что качество ощущений зависит не от каких-либо структурных особенностей рецепторов или качественно различных меченых линий, а скорее всего от «структуры ответа» нервной системы.

К обсуждению многих вопросов, связанных со спецификой раздражения и качеством ощущения, мы вернемся в главе 3. Здесь ограничимся лишь несколькими замечаниями. Противоречивые факты можно рассматривать не только как исключающие ту или иную точку зрения исследователей, но и как проявление богатых возможностей организма, используемых им по-разному, в различных ситуациях. Вряд ли перечислением всех «за» и «против» в пользу той или иной точки зрения можно установить единственный и лучший способ получения мозгом информации. На этот вопрос лучше всего мог бы ответить сам мозг, если бы ученые располагали инструментом для получения такого ответа! И вполне вероятно, что вариант, представляющийся исследователю лучшим, мог быть просто отброшен в процессе эволюции, а удачное техническое решение, которое часто заставляет проводить аналогии с биологическими процессами, может оказаться на деле очень далеким от истинного положения вещей. Не будем забывать, что мозг человека располагает тем, чего до настоящего времени нет ни в одной технической системе передачи и обработки информации: он состоит из 10^10 нервных клеток, которые в свою очередь содержат нервные отростки. Число же последних на несколько порядков больше указанной цифры. Значительная часть этих отростков представляет собой надежно изолированные самостоятельные линии приема и передачи информации.

Преобразователи и сигнализация

Любое техническое устройство, которое переводит энергию одного вида в энергию другого вида, называется преобразователем. Микрофоны, например, преобразуют звуковые колебания в электрические, а громкоговорители — электрические колебания в звуковые; фотоэлементы преобразуют световой поток в электрические сигналы, и т. д. Рецепторы также можно назвать преобразователями различных видов внешней энергии в электрические сигналы. Это преобразователи, творцом которых была сама природа, совершенствовавшая их в течение длительной эволюции жизни на Земле. Мы знаем, что разнообразные механические стимулы, такие, как прикосновение, давление, вибрация, действующие на кожный покров, воспринимаются рецепторами кожи — либо свободными, не покрытыми оболочкой нервными окончаниями, либо включенными в капсулу. В органах слуха и зрения раздражение воспринимается высокоспециализированными, дифференцированными чувствительными клетками, а затем, после преобразования в электрический сигнал, передается на нервные клетки.

Рис. 9. Соединение рецептора с окончанием нейрона (А) Электрические сигналы рецепторов и афферентных нейронов (Б).

Прерывистой линией показано возникновение электрического тока в результате действия стимула (I) и соответственно повышение ионной проницаемости рецептивной поверхности. Деполяризация в рецепторной клетке приводит к возникновению рецепторного потенциала (II) В окончании нейрона возникает генераторный потенциал (III), который при значительной величине запускает потенциалы действия (III, IV).

Электрический сигнал, возникающий на уровне рецепторных структур в «зоне раздела» между внешней средой и мозгом, называется рецепторным потенциалом. Он представляет собой изменение электрического напряжения в рецепторе (рис. 9, II). При достаточной величине изменения этот потенциал вызывает в нервном окончании, контактирующем с рецептором, так называемый генераторный потенциал (рис. 9, III). Последний не распространяется, а удерживается в преобразующем участке нервного окончания. Такой потенциал может быть зарегистрирован как изменение напряжения на небольшом ограниченном участке в районе того места, где происходит процесс преобразования энергии. Если величина генераторного потенциала достигает определенных значений, то в нервном волокне возникает распространяющийся импульс (рис. 9, III, IV). Генераторные потенциалы целиком зависят от действующего стимула, их временные параметры определяются параметрами стимула. Эти потенциалы градуальны (постепенны), проводятся пассивно и затухают по экспоненциальному закону.

Как уже отмечалось, чувствительность органов чувств к специфическому для них виду энергии огромна. Наука о рецепторах пока не может дать исчерпывающего ответа на вопрос о том, что же в сенсорной клетке обусловливает такую исключительную чувствительность. Нет ответа и на вопрос о том, в чем заключаются отличия нервных стволов, проводящих сигналы к мозгу от разных рецепторов. Не определено также, что же исключительно специфического в конечных проекциях рецепторов в высших центрах мозга и что, например, было бы, если зрительный нерв связать с центрами слуха, а слуховой — с центрами зрения. Быть может, можно увидеть звук и услышать свет? Известно ведь, что любой раздражитель достаточной силы, будучи приложен к специфическому рецептору или отходящему от него нервному проводнику, вызывает ощущение той же модальности, как и при действии адекватного раздражителя. Сдавливание, скручивание, растяжение, удар по нерву вызывают обязательный поток импульсов.

Каждый может испытать ощущение света при быстром надавливании на глазное яблоко, а также резкое, неприятное, а иногда и болезненное ощущение при ударе локтя о твердые выступы, когда под ударом оказывается локтевой нерв. Мы знаем также, что подобные ощущения, сохраняя модальность, соответствующую органу чувств, ничего общего не имеют с нормальным ощущением света, кожной боли или прикосновения. Эти наблюдения из повседневной жизни часто приводятся как примеры неспецифических ощущений данной модальности, однако в научной литературе сведения о возможности использования раздражителей, действующие факторы которых резко отличаются от специфических видов энергии, чрезвычайно скудны.

И тем не менее существует предположение о том, что специализация ощущения — это скорее вопрос степени, градации, дифференциации раздражения и места его восприятия мозгом, нежели какого-то специального качества этого раздражения. Как будет описано в соответствующих главах (2 и 3), применение в наших исследованиях фокусированного ультразвука — искусственного раздражителя с физически точно определенными параметрами, количественно дозированного, действующего как на поверхностные, так и на глубокие воспринимающие структуры биологических объектов, дало возможность получить новые существенные факты, расширяющие представления о сенсорной специфичности.

Нейроны и синапсы

Сигнализация, возникающая в «зоне раздела» между организмом и внешней средой и представляющая собой рецепторные и генераторные потенциалы, передается в центральную нервную систему нейронами (нервными клетками). Нейроны состоят из тела клетки, называемого также сомой, дендритов, или ветвей тела клетки, подводящих к нему нервные сигналы, и длинного волокна — аксона, или осевого цилиндра, отводящего сигналы от тела клетки (рис. 10). Когда речь идет о центральной нервной системе, то такое деление отростков клетки на дендриты и аксоны совершенно оправдано, так как они отличаются по форме и функции. Если мы говорим о периферических нервах, в этом случае разница не столь очевидна, ибо периферические нервы содержат нервные волокна, часть из которых проводит сигналы от двигательных ядер центральной нервной системы, а часть — от органов чувств к телам нервных клеток, расположенных в ганглиях, лежащих вблизи головного или спинного мозга. И если первые являются истинными аксонами, то вторые следовало бы рассматривать как дендриты. Однако, поскольку по строению и функции эти волокна не отличимы друг от друга, то независимо от направления проведения в них нервных сигналов они часто называются одними и теми же словами: «аксоны» или «нервные волокна».

Несмотря на то что волокна в периферических нервах идут в непосредственной близости, активность одного волокна весьма мало влияет на соседние волокна благодаря специальному изолирующему слою, создаваемому так называемыми шванновскими клетками, или клетками-сателлитами (в центральной нервной системе клетки-сателлиты называют глией). Природа взаимоотношений нейронов и сателлитов до настоящего времени не представляется ясной.

Истинное взаимодействие между самими нейронами осуществляется в области контактов, называемых синапсами. Аксонная веточка одного нейрона подходит к дендриту, телу или аксону другого нейрона. В зоне контакта остается узкая щель, называемая синаптической. Типичный нейрон центральной нервной системы может иметь до 10 000 синапсов и получать информацию от тысяч других нейронов.

Рис. 10. Схема нейрона с конечной ветвью аксона, образующего синаптический контакт с дендритом.

А — один синаптический контакт; Б — несколько синаптических контактов Контакты являются возбуждающими (в) и тормозными (т). На возбуждающем окончании может также заканчиваться пресинаптическое тормозное окончание (пт). Между окончаниями показаны части глиальных клеток (г). Значительная часть синапсов сосредоточена на дендритах.

Как уже отмечалось, при достаточной величине рецепторного потенциала возникает нервный импульс, распространяющийся по волокнам на большие расстояния. Передача импульсов определяется разностью потенциалов по обе стороны мембраны волокна и является следствием изменений ее ионной проницаемости. Когда нервный импульс доходит до конца аксона, он вызывает усиленное выделение из окончаний аксона химического агента — медиатора. Можно провести аналогию между действием медиатора на следующий нейрон с действием стимула на рецепторную клетку. Если медиатор выделяется в достаточном количестве, он вызывает постсинаптический потенциал. В соответствии с типом нейрона (возбудительный или тормозный) различаются и типы медиаторов, вызывающих эффекты возбуждения или торможения.

В зоне соединения нейронов происходит трансформация, перекодирование нервного сигнала. У млекопитающих к каждой постсинаптической клетке подходят окончания от множества других клеток. И тормозные, и возбуждающие синапсы сосуществуют бок о бок на одних и тех же клетках. Считается, что торможение, возникающее после синапса, — это мощное противодействие возбуждению из любого источника, а торможение, возникающее до синапса, — это как клапан, который выключает только часть потока, но дает возможность пройти другой его части.

Итак, нейроны осуществляют передачу и обработку информации. И если передача осуществляется в основном в двоичной форме, по закону «все или ничего», то обработка, вероятно, идет в аналоговой форме, поскольку к одной постсинаптической клетке подходят сотни окончаний, выделяющих медиатор. Возникающая постсинаптическая реакция в результате является градуальным непрерывным процессом: двоичный импульсный код пресинаптических волокон преобразуется в аналоговую форму в синапсе, а затем в аксоне постсинаптической клетки опять превращается в импульсный код.

Двойной — импульсный и аналоговый — способ кодирования имеет несомненные преимущества. Импульсная передача надежна, быстра и точна. Синаптическое преобразование обусловливает изменение частоты, отражающее действия миниатюрного нелинейного аналогового устройства, в котором входящие события взвешиваются, а выходная система дает оценку этого взвешивания. В таких устройствах возможны различные виды трансформаций. Это усиление, которое может изменить объем афферентации. Это также переключение направления афферентации. Кроме того, это фильтрация, снижающая шум или изменяющая вес отдельных составляющих афферентного потока, а в предельном случае — полное его подавление. Это также извлечение определенных свойств потока за счет исключения избыточных деталей (другими словами, усиление контраста). И, наконец, это изменение шкалы времени за счет изменений постоянных времени основного процесса.

Богатейшая картина внешнего мира, преобразованная в периферических рецепторных структурах сенсорных систем, приводит в действие механизмы мозга, деятельность которых завершается трансформацией чувственного «изображения» — ощущения в акт восприятия. Результаты внешнего воздействия преобразуются в определенный код, носителем которого являются нейроны. Они генерируют электрические разряды — импульсы или медленные электрические потенциалы. Весь разнообразный поток раздражителей, которые воспринимают органы чувств из внешней среды, заключен в этих двух типах электрических сигналов. Каким бы совершенством и разнообразием не были бы представлены периферические структуры, ориентировка в огромном и удивительном внешнем мире была бы невозможна без участия множества нейронов — этих маленьких кирпичиков в здании сенсорного восприятия.

Для понимания специфической, уникальной функции нейронов и смысла передаваемых ими электрических сигналов, в которых заключена информация от соответствующих органов чувств, необходимо решить ряд чрезвычайно сложных задач. Требуется, в частности, проследить пути распространения электрических сигналов в различных структурах мозга, оценить преобразования, которые эти сигналы претерпевают на своем пути, выяснить, какими изменениями в сенсорной или двигательной функции они при этом сопровождаются. Следует подчеркнуть, что при решении перечисленных задач исследователи сталкиваются со множеством трудных методологических и методических вопросов. И только совместными усилиями ученых, представляющих различные области знания, секреты механизмов сенсорного восприятия будут открыты и изучены.

Центральное представительство сенсорных систем

Каждая сенсорная система является сложным многозвеньевым образованием, в состав которого входят рецепторы и центры мозга. Она обеспечивает эффекторную реакцию и находится под воздействием сложнейших механизмов регуляторных и управляющих систем мозга. Результаты восприятия и активности биологических объектов меняют «нервную модель стимула», создают «образ результата действия», а также компоненты последующей стимуляции.

Различные рецепторы в специальных органах чувств, разумеется, чувствительны к разным видам стимуляции. Однако нервные импульсы проводниковых систем, отходящих от рецепторных структур, в основном одинаковы. И зрительный, и слуховой, и обонятельный нервы — все они состоят из нервных волокон, проводящих импульсы примерно одинаковой величины. Зачастую эти нервные волокна проводят потенциалы действия одной и той же частоты. По-видимому, головной мозг узнает о типе воздействующего на организм стимула не только на основании того, какие рецепторные образования реагируют на воздействие, но и на основании того, в какую структуру головного мозга поступают импульсы. Особый код, представляющий собой пространственно-временную конфигурацию возбуждения в специфических путях и центрах, несет информацию о качествах стимулов, о состоянии различных структур мозга, возникшем в результате предшествующей стимуляции. Включение механизмов памяти также модифицирует восприятие раздражителя.

Сравним деятельность одиночной клетки простейших организмов и сенсорной системы высокоорганизованных животных. У простейших клетка является и рецептором, и эффектором одновременно. Изменение условий внешней среды вызывает реакцию мембраны клетки. Внутри клетки активируются белки типа актина и миозина, а это вызывает движение простейшего. У высших животных мышечные клетки, сохраняя древнее свойство реагировать на местные раздражения сокращением, приобретают высоко специализированные свойства, в нормальных условиях реагируя на химическое вещество (медиатор), выделяемое нервным волокном в области концевых пластинок, заканчивающихся в мышце. Таким образом, команда к реакции на раздражитель отгорожена от внешнего мира сложнейшей системой структурно-функциональных отношений рецепторов и центров мозга.

Если предположить, что сенсорная информация в зонах переключений, расположенных в различных отделах мозга, не перерабатывается, а только передается в некоторый конечный «главный» пункт, то неясно, зачем необходимо несколько переключений, почему количество их больше у высших животных, чем у низших, и вообще зачем нужны синапсы. С точки зрения теории связи для обеспечения неискаженной передачи информации значительно выгоднее длинные аксоны нейронов, нежели несколько короткоаксонных нейронов, включенных последовательно. Следовательно, можно утверждать, что в зоне синаптических контактов происходит переработка сенсорной информации, ее преобразование. Эти зоны обычно расположены в так называемых ядрах, представляющих собой скопление тел нервных клеток, в которых происходит переключение длинных аксонов. Отметим при этом, что любое преобразование, или, как принято говорить, перекодирование, грозит утратой той части информации, которая воспринимается рецепторами и трансформируется в активность нервных элементов. Измененная под влиянием внешней стимуляции, а затем и внутреннего процесса преобразования сенсорного сигнала активность нервной системы является тем реальным субстратом, который в свою очередь уже в модифицированном по сравнению с исходным виде воспринимает последующие стимулы. А в целом это значит, что перекодирование, трансформация в сенсорных ядрах нервных сообщений не только имеет большое биологическое значение, но и направлена на увеличение эффективности деятельности нервной системы.

Рассмотрим принципиальный план строения различных сенсорных систем, их центральное представительство. Наиболее эволюционно древними и широко представленными в структурах мозга низших позвоночных являются обонятельная и вкусовая системы — хеморецептивные органы чувств. Не вдаваясь в детали строения, отметим некоторые основные черты этих систем. Охватывая почти все передние отделы мозга у низших позвоночных (рыб и амфибий), обонятельная и вкусовая системы занимают ничтожно малую долю нейронных систем мозга млекопитающих. У всех представителей позвоночных хеморецептивные сенсорные системы являются преимущественно ипсилатеральными (односторонними). Это значит, что информация, поступившая на рецепторы одной стороны туловища, передается в центры мозга с той же стороны, либо без, либо с очень малым количеством перекрещенных волокон, идущих к другой половине мозга. Эти системы имеют сравнительно малое число синаптических переключений и соответственно сенсорных релейных ядер: они составлены 2- или 3-нейронными путями. Обонятельная и вкусовая системы представлены в наиболее древних, с эволюционной точки зрения, участках коры большого мозга. Эти системы связаны с вегетативными и мотивационными зонами мозга, а также с пищевыми центрами коры головного мозга четко прослеженными и обширными связями. Это наиболее древние, рано возникшие в эволюции сенсорные системы, имеющие аналоги в химической чувствительности низших беспозвоночных животных.

Соматосенсорная система, или система кожной поверхностной и глубокой чувствительности двигательного аппарата животных, занимает важнейшее место в обеспечении жизнедеятельности организмов, стоящих на всех уровнях эволюционного развития. Она содержит 4—5-нейронный путь к коре большого мозга, имеет перекрещенные волокна, располагающиеся в головном мозге. Эта система также дифференцируется в процессе эволюции, приобретая не только черты более выраженной специализации, но и мощные, многократно дублирующиеся проекции в переднем мозге. По своему объему представительство соматосенсорной системы в мозге различных позвоночных по сравнению с хеморецептивными системами и системами дистантной рецепции меняется в процессе эволюции относительно мало.

Переход от водного к наземному образу жизни привел к изменениям соотношений представительств сенсорных систем в мозге. Преимущественное развитие получили те формации, которые связаны с передачей и переработкой информации о свойствах внешней среды дистантными рецепторами — зрительными и слуховыми. Можно без преувеличения сказать, что подавляющее большинство сведений о мире млекопитающие и человек получают с помощью зрительной и слуховой систем.

Несмотря на то что рецепторное восприятие направлено на получение информации о различных видах энергии и осуществляется различными способами, центральные представительства дистантной рецепции имеют ряд общих свойств. Это — топографически высоко организованные системы, содержащие от 3 до 6 и более нейронов между рецепторной поверхностью и высшими сенсорными центрами мозга. Это системы билатеральные, воспринимающие раздражители, попадающие на рецепторы одной стороны обеими половинами мозга, причем доля перекрещенных систем больше доли систем односторонних, неперекрещенных. Надежную основу восприятия пространства и локализации воздействующего объекта создают 3—5 крупных перекрестов, множественные дублирующиеся представительства периферических воспринимающих поверхностей в различных структурах мозга. И несмотря на то, что зрительная и слуховая системы имеют дело с различными представлениями мира (пространственным и временным), принципы организации их проекционных систем в мозге во многом сходны.

На примере слуховой системы хорошо прослеживаются основные анатомические преобразования периферической рецепторной части, обусловленные ее развитием и совершенствованием у позвоночных животных. Они отражают также все возрастающую специализацию приемника механических колебательных процессов, источник которых отдален от воспринимающего объекта. В. первую очередь следует указать на разделение вестибулярной и слуховой частей лабиринта внутреннего уха и появление у амфибий специализированных слуховых структур в нижней части лабиринта. Затем — обособление и дальнейшее развитие этих структур у рептилий. И, наконец, возникновение у примитивных млекопитающих и развитие у высших млекопитающих специализированного органа слуха — спирально закрученной улитки с расположенным в ней дифференцированным рецепторным аппаратом.

Как же эти существенные изменения в периферическом отделе соотносятся с эволюцией представительства слуховой системы в мозге? Центральные проекции внутреннего уха рыб имеют прямые выходы на группу крупных клеток самого нижнего центрального уровня продолговатого мозга, управляющих движениями туловища. Эти проекции у амфибий и рептилий преобразуются в двусторонне перекрещенную систему, достигающую уровня среднего и промежуточного мозга. У млекопитающих наблюдается дальнейшее развитие центрального представительства внутреннего уха, широко распространенное в мозге и связанное на всех его уровнях с различными двигательными, мотивационными и вегетативными центрами. По мере появления и развития четко ограниченного специализированного слухового отдела внутреннего уха происходит дифференцировка клеточного состава центральных проекций, появление новых групп ядер. Часть последних выполняет регуляторные и эфферентные функции, а часть обеспечивает координированную двигательную активность, связанную с восприятием акустических сигналов. После появления у рептилий и организации у примитивных млекопитающих, в частности у насекомоядных, специфических корковых проекций идет лавинообразное увеличение объема новой коры, в том числе и зон, связанных с деятельностью слуховой системы, достигающее максимального уровня у приматов и человека.

Закономерно возникает вопрос о том, какие же специфические сенсорные функции соотносятся со столь выраженным нейроанатомическим развитием центральных проекций, рассмотренным здесь на примере слуховой системы, но не менее существенным в отношении как зрительной, так и соматосенсорной систем. Электрофизиологические данные, полученные при изучении активности нейронов разных отделов этих трех сенсорных систем, свидетельствуют об усложнении функциональной организации их вышележащих отделов. Наиболее сложные формы активности и рецептивные поля регистрируются на уровне коры большого мозга. В связи с различиями рецептивных полей и их динамики в процессе последовательного действия раздражителей находятся также и функциональные свойства нейронов. Было, например, обнаружено, что по мере повышения уровня слуховой системы они усложняются и специализируются, равно как и возрастает количество таких нейронов, которые в специфических формах активности выделяют определенные сочетания физических параметров стимулов: ритмы и скорости амплитудной модуляции, направление и скорость частотной модуляции. Появляются нейроны «памяти» с выраженным разрядом последействия, возникающим только при определенных сочетаниях параметров стимулов.

Вместе с тем во всех отделах слуховой системы, включая кору больших полушарий головного мозга, существует система нейронов, не несущих специализированных функций и как бы дублирующихся от уровня к уровню. Схематическое изображение иерархического принципа организации слухового анализа, обоснованное нашими экспериментальными данными, представлено на рис. 11.

Множество черт сходства не только в принципах описания сенсорных стимулов, но и в особенностях организации систем центральной обработки информации можно найти и при рассмотрении зрительной и соматосенсорной систем. В зрительной коре высших млекопитающих обнаружены разные типы клеток, относящихся к различным слоям коры, причем в более глубоких слоях расположены относительно «простые» клетки, в функциональном отношении сходные с нейронами предыдущего анатомического уровня зрительной системы. Оптимальным стимулом для таких клеток являются прямые линии. В более поверхностных слоях расположены «сложные» клетки, у которых рецептивные поля шире и сложнее. Выше их лежат «сверхсложные» клетки, отличающиеся еще более замысловатой функциональной организацией. Оптимальными стимулами для клеток более высокого иерархического уровня обработки являются «решетки», составленные из светлых и темных полос. Другими словами, рецептивные поля сложных клеток являются узко настроенными фильтрами пространственных частот.

Рис. 11. Иерархический принцип организации анализа акустических стимулов в слуховой системе (схема).

Римские цифры — условный «уровень» анализа сенсорного сигнала от рецепторной поверхности (I) до таламо-кортикальной системы (IV); арабские цифры — «уровень» специализации нейронов. Светлые квадраты — отсутствие специализации, реакции возникают на широкий набор стимулов, заштрихованные — частичная специализация, двухцветные — высокая специализация, черные — блоки избирательной памяти. Стрелки — стимул.

Определенная часть нейронов соматосенсорной коры избирательно чувствительна к направлению движения стимула через периферические рецептивные поля. Это свойство центральных нейронов обнаруживается также после 2-ступенчатой переработки информации. На основе оценки нейронов различного уровня исследователи пришли к заключению, что в высших корковых отделах соматосенсорной системы картируются как дерматомная и модальная специализация, так и динамические переменные кожных сенсорных стимулов.

Заключая обзор данных, характеризующих центральное представительство сенсорных систем, необходимо подчеркнуть следующее. Получаемая на входе сенсорных систем информация широко распределяется по всем последующим нервным путям в головном мозге. Информация, необходимая для различения определенных свойств стимула, дублируется многими участками центральной нервной системы. И чем больше «этажей» в сенсорной системе, тем большими возможностями восприятия различных качеств стимула располагает организм, тем легче он компенсирует возможные дефекты обработки сенсорных сигналов. Наиболее сложные и тонкие функции сенсорных систем соотносятся с деятельностью их высших отделов — коры большого мозга.

После того как немецкие ученые Э. Гитциг (1869 г.) и Г. Фритч (1880 г.) показали, что электрическое раздражение определенных участков мозга вызывает двигательную активность, а выдающийся русский невролог В. М. Бехтерев (1907 г.) детально описал проекции различных систем в коре большого мозга, проблема функционального назначения разных областей коры привлекла к себе пристальное внимание ученых и стала предметом острых дискуссий. Этому во многом способствовало и развитие нейрохирургии, позволившей исследовать степень участия различных отделов мозга в реализации некоторых сенсорных и двигательных функций.

Для различных областей коры головного мозга составлены карты рецепторно-кортикального соответствия, которые многократно уточнялись и проверялись различными методами. При этом использовались и адекватные для каждой рецепторной поверхности стимулы, и электрическое раздражение различных областей рецепторов, равно как и идущих от них проводников, и функциональные методы оценки утраченных функций после разрушений, и морфофизиологические критерии. Было обнаружено, что рецепторно-кортикальная организация сенсорных проекций не сопровождается соответствием «точка в точку». Центральная проекция не является зеркалом внешнего мира или копией рецепторных областей, а имеет иные законы организации, часто подчеркивающие ту или иную особенность внешнего мира или, вернее, его рецепторного восприятия, специфику дальнейшей структурно-функциональной организации сенсорного анализа. Например, в ганглиозном слое сетчатки человека по сравнению с рецепторным количество клеток в 50—100 раз меньше. На следующем уровне переключений зрительной системы — в таламусе, ближайшей к коре подкорковой зоне, — число зрительных элементов приблизительно такое же, как и в сетчатке. Зато при переходе к коре головного мозга картина диаметрально изменяется. Одиночная клетка подкорковой таламической области связана с 5000 корковых нейронов, а каждый корковый нейрон в свою очередь через дендритные пути связан еще по меньшей мере с 4000 других корковых нейронов. Итак, огромная цифра: один нейрон периферического зрительного прибора и соответственно ближайшей зрительной подкорковой области оказывается связанным с 20 миллионами корковых клеток! Другой, не менее разительный пример: около 30 тысяч волокон слухового нерва разветвляется в ядрах продолговатого мозга в соотношении 1:5, а подкорковые таламические слуховые нейроны связаны примерно такими же соотношениями с корковыми клетками, как и в зрительной системе. Близкие к вышеописанным соотношения известны для соматосенсорного коркового представительства.

Увеличение объема новой коры в филогенезе позвоночных является одним из наиболее ярких показателей эволюции мозга вообще и центрального представительства сенсорных систем в частности.

Увеличение новой коры шло за счет возрастания ее поверхности. Хорошо известно, что своеобразная форма коры, так называемый складчатый плащ, составленный бороздами и извилинами, наиболее выражена у приматов и человека. Однако первичные корковые проекции в эволюции по объему изменяются очень мало. Это, в частности, детально прослежено относительно первичной проекционной зоны AI слуховой коры. При сравнении разных областей коры также выявляются интереснейшие цифры. Количество нейронов, расположенных по вертикали различных областей коры как бы в цилиндре диаметром 30 мкм, измеренное у четырех видов млекопитающих — мыши, кошки, обезьяны и человека, — постоянно и составляет 110. Эта цифра одинакова для соматосенсорной, лобной и височной областей. А вот толщина серого вещества варьирует у разных млекопитающих в три раза и различна для разных областей коры у одного и того же животного.

Показано, что различие в толщине серого вещества коры объясняется вариациями в размерах дендритного дерева и в количестве синаптических контактов в областях так называемого синаптического нейропиля. В то же время соотношение двух основных типов нейронов коры — пирамидных и звездчатых — постоянно и составляет 2:1 в совершенно разных с точки зрения цитоархитектоники и функции областях коры (моторной, соматосенсорной и зрительной) у разных видов животных (макака, крыса и кошка). Новых типов клеток в филогенезе позвоночных не отмечается.

В исследованиях корковых зон различных животных в специальных онтогенетических работах показано, что клеточный состав коры развивается постепенно: сначала возникают клетки глубоких слоев, позже — клетки более поверхностных слоев. До рождения плода цитоархитектонических различий корковых зон, характерных для взрослых животных, еще не существует. Завершение оргазации клеточного состава корковых зон связано с возникновением последних, наиболее поверхностных клеток, и относится к периодам, когда подкорковые таламические волокна достигают корковых зон. После рождения плода все изменения протекают уже в пределах сформировавшихся нейронных структур коры.

Каковы же корреляции видимых морфологических изменений и сенсорного опыта? Если животных, например новорожденных белых крыс, поместить в условия полной сенсорной депривации, т. е. изолировать от действия каких-либо раздражений органов чувств, то оказывается, что у них количество дендритных разветвлений и шипиков пирамидных клеток коры значительно меньше, чем у животных, развитие которых происходит в обычных условиях. Многочисленные экспериментальные данные говорят об увеличении числа дендритных контактов в постнатальном онтогенезе, что эквивалентно росту нервной ткани, хотя новых клеточных элементов не появляется. Существенное значение в формировании связей и объема дендритного дерева имеют сенсорная стимуляция и научение. Причем, как оказалось, особую роль играет не стимуляция вообще, например раздражение глаза рассеянным светом, а структурированные стимулы, характерные для деятельности органов чувств в естественных условиях. Такими стимулами для глаз являются изображения и их детали, для слуха — прерывистые звуки, изменяющиеся во времени по частоте и по амплитуде.

Регуляция и контроль сенсорных сигналов

Как уже отмечалось, в соответствии со специализацией и разрешающей способностью органов чувств человек и животные воспринимают лишь небольшую часть информации из внешнего мира. Но на самом деле даже из этой небольшой части теоретически воспринимаемой информации каждый конкретный индивид получает только ее ничтожную долю. Эта доля зависит от перцептивного обучения, предшествовавшего опыта, отраженного в памяти субъекта, и обязательно от избирательного внимания. Собственно внимание всегда является избирательным, ибо «внимания вообще» не существует. Каждому хорошо известно, что практически невозможно слышать два разных по смыслу разговора одновременно, можно лишь переключать внимание с одного на другой, невозможно рассматривать две картины и т. д.

Простейший подход к представлению о внимании состоит в том, что оно рассматривается как некий переключатель, пропускающий одни сигналы и блокирующий другие. Такой переключатель соотносится, естественно, с деятельностью высших уровней системы обработки информации в головном мозге и регулируется конкретными инструкциями или биологическими задачами организма. Психологические опыты свидетельствуют о том, что при отсутствии инструкции испытуемые замечают физические характеристики звуковых сигналов, но не интерпретируют их. Механизм отбора отделяет, вероятно, существенный материал от несущественного на основании физических параметров звукового потока в соответствии с целью прослушивания. Затем срабатывает «переключатель», пропускающий для интерпретации только важные для данной ситуации сигналы. Поскольку большая часть поступающей на вход сенсорной системы информации передается в мозг, необходимо допустить, что этот переключатель работает не по принципу «да—нет», а по принципу «больше—меньше».

Нейрофизиологические механизмы процесса внимания изучены мало, и в этой проблеме больше вопросов, чем ответов. В экспериментальных работах наиболее широко представлены подходы лишь к изучению тех процессов в сенсорных системах, которые связаны с включением систем обратной связи, с регуляцией поступления входных сигналов в центральную нервную систему, а также обусловлены влиянием раздражения различных участков головного мозга на активность специфических путей и центров сенсорных систем.

Обратная связь — одна из основных особенностей организации биологических систем. Механизмы саморегуляции и самоконтроля, в основе которых лежит деятельность систем обратной связи, преодолевают внутренние шумы, повышают степень надежности и функциональные возможности биологических сенсорных систем. Функции регуляции и контроля различных процессов, протекающих в мозге, осуществляются силами самого мозга, и негативный обратный контроль на каждом уровне является наиболее важным механизмом в сенсорных информационных процессах.

Регуляция и контроль информации, передаваемой по ходу сенсорных систем, осуществляется множеством путей, идущих от центральных отделов мозга к более периферическим. Одним из мощнейших и наиболее хорошо изученных путей является так называемая эфферентная сенсорная система, обеспечивающая влияние высших отделов слухового пути на нижележащие. Обычно электрическое раздражение волокон эфферентной системы вызывает торможение импульсации в восходящем пути. Именно поэтому нисходящая система обычно рассматривается как тормозная, суживающая или расширяющая путь прохождения афферентной информации в вышележащие центры. Ход эфферентной системы в основном идентифицирован. Ее центры расположены территориально очень близко к центрам восходящей системы, но эти две системы в одних и тех же клетках или волокнах всегда обособлены.

Помимо параллельных путей, полностью повторяющих расположение восходящей сенсорной системы, известны «кольцевые» системы обратной афферентации, центры которой располагаются в мультимодальных зонах мозга. Деятельность таких систем является предпосылкой интермодальной регуляции и взаимодействия специфических сенсорных систем.

Существуют и другие системы обратной связи. В частности, это системы сенсомоторной координации. Например, известны обратные связи от ядер V и VII пар черепномозговых нервов к костно-мышечному аппарату среднего уха, причем активация таких связей приводит к резкому уменьшению входного акустического потока за счет регуляции деятельности структур среднего уха. Активность этой системы контроля слухового входа координируется также и тактильными раздражителями.

Регулирующее действие на слуховой вход оказывают также те зоны мозга, которые управляют двигательной активностью звукопродуцирующего аппарата животных — их вокализацией. Подобная регуляция осуществляется в период звукопродукции и обусловлена определенными формами акустического поведения. Подобные системы контроля, связанные с центрами сенсомоторной координации, известны и для других сенсорных систем, в частности для зрительной и соматосенсорной.

Наконец, существует «ретикулярная» система регуляции, активные зоны которой расположены в сетевидной субстанции, или так называемой ретикулярной формации мозга.

Несмотря на то что ход ряда эфферентных и регуляторных систем мозга анатомически идентифицирован и установлена их регулирующая функция в условиях электрического раздражения, роль этих систем в поведении и нормальном функционировании мозга неизвестна. Одно из наиболее широко распространенных предположений состоит в том, что системы обратной афферентации обеспечивают избирательность внимания посредством контроля и блокирования информации в различных отделах сенсорных систем. Как и где осуществляется это блокирование, экспериментально не показано. Какие именно системы эфферентного контроля участвуют в процессах организации внимания, также до настоящего времени неизвестно.

Некоторые данные, полученные в экспериментах, проведенных с помощью испытуемых, позволяют судить о функциональной связи различных систем — сенсорной афферентной и системы контроля. В качестве примера можно привести тот факт, что нарушение обратной связи контроля звуков, поступающих в ухо, немедленно нарушает речь и приводит к искажению мелодии исполняемой человеком песни. Это явление используется как тест для выявления симуляции глухоты. Если говорящий или поющий человек слышит собственные звуки не сразу, как это бывает в обыденной жизни, а через наушники с некоторой задержкой во времени, то у него меняется произношение и появляются ошибки. Если задержка увеличивается, то человек вообще не может говорить или воспроизвести мелодию. Только при истинной глухоте качество речи не зависит от задержки во времени ее восприятия слуховой системой.

Несмотря на огромное значение для организации процесса восприятия такого мощнейшего психологического фактора, как внимание, физиологи и психологи стали исследовать его лишь последние 20—25 лет. Наиболее широко распространенное представление о внимании как о способе отфильтровывать информацию на протяжении ряда лет подвергается пересмотру как с позиций нейрофизиологии, так и психологии. В одной из первых работ, посвященных электрофизиологическим исследованиям внимания, Р. Эрнандес-Пеон и сотрудники (1956 г.) писали, что электрические реакции слухового нерва кошки на звуковые щелчки ослабляются, если кошке показать мышь. Вот, казалось бы, и демонстрация блокирующего действия внимания на афферентную входную импульсацию. В дальнейшем, однако, результаты этих работ и их интерпретация подверглись серьезным сомнениям, подробно изложенным в работе Ф. Уордена, опубликованной в книге «Нейрофизиологические механизмы внимания» (1979 г.). Интересно отметить, что когда в 1971 г. в слуховом нерве человека в результате сдвига внимания не было обнаружено изменений электрической активности на звук, а позже этот результат был многократно подтвержден, то прямолинейное и однозначное толкование первоначальных результатов было пересмотрено. Несколько формальный подход к вниманию как фильтру входной информации получил самые различные теоретические толкования.

Из соображений, в основе которых лежит чисто биологический подход к проблеме отсечения или фильтрации части входной информации, представляется, что не должно быть таких процессов или механизмов, функция которых состояла бы в том, чтобы отклонять какой-либо стимул. Прецептивное научение и отбор — это позитивный процесс, в первую очередь определяемый выбором. В основе выбора — биологическая потребность, доминирующая мотивация, обученность (навык), инструкция. В изучении внимания при экспериментальных подходах, реализуемых с участием испытуемых, особую роль играет инструкция. Различные экспериментальные процедуры позволили показать, что даже при узко сфокусированном внимании периферическая сенсорная информация не блокируется — она поступает в центральные отделы, где не теряется, а оценивается с точки зрения ее адаптационного значения.

В качестве примера рассмотрим следующую экспериментальную ситуацию. Записанные на магнитную ленту два текста одновременно подаются испытуемому на разные уши с одинаковой громкостью. Предварительно дается инструкция о том, какой текст испытуемый должен слушать. Для проверки правильности исполнения инструкции испытуемый повторяет нужное сообщение по мере его поступления в ухо. Испытуемые легко выделяют нужное сообщение, полностью игнорируя другое, поступающее на противоположное ухо. Человек как будто не слышит второе, «ненужное» сообщение. Но если в тексте «ненужного» сообщения появляются слова, имеющие непосредственное отношение к испытуемому, типа его имени, обращения или важного эмоционального, особенно аффективного содержания, то испытуемый оценит также не только эти слова, но и в ряде случаев смысл второго сообщения.

Много остроумных экспериментов, показывающих, что акустический поток может в определенных условиях «не слышаться», но достигать высших центров мозга, было проведено за последнее десятилетие. Следует, однако, признать, что психологические интерпретации проблем, связанных с процессами и механизмами внимания, хотя и многочисленны, но в ряде случаев противоречивы. Нейрофизиологические аспекты этого вопроса пока еще не нашли должной экспериментальной и теоретической разработки.

Сенсорная стимуляция и ощущение

Первые попытки количественного определения соотношения между физическими параметрами стимула и вызываемым им ощущением относятся к 40-м годам прошлого столетия. В 1846 г. немецкий ученый Э. Вебер опубликовал работу, в которой сообщил, что величина прироста интенсивности, вызывающая отчетливую разницу в интенсивностях между двумя стимулами, находится в постоянном отношении к исходной интенсивности. Например, различия в весе двух грузов можно определить в том случае, если отношение их весов друг к другу составляет не меньше 29:30. В 1860 г. немецкий ученый Г. Фехнер, который считается основоположником специальной области сенсорной физиологии — психофизики, придал наблюдениям Вебера математическое выражение — ΔI/I = K, где ΔI — приращение раздражителя, при котором получается едва заметная разница в ощущении, а I — величина постоянная, представляющая собой исходную интенсивность раздражения. Иначе говоря, ощущение пропорционально логарифму раздражения. Установленное соотношение между величиной раздражения и ощущения в дальнейшем получило название закона Вебера—Фехнера, который длительное время являлся отправным пунктом психофизических исследований.

Впоследствии обнаружилось, что закон Вебера—Фехнера не подтверждается в том случае, когда используются очень малые или очень большие величины раздражителей. И почти через 100 лет американский ученый С. Стивенс предложил взамен отношения Вебера—Фехнера закон степенной функции, согласно которому ощущение пропорционально показателю степени, а именно, ощущение равно a(I—R)x, где а — константа, величина которой зависит от единиц измерения, I — стимул, R — пороговый стимул, х — показатель степени. Последний меняется в зависимости от того, какая сенсорная система исследуется. Например, для раздражения светом он составляет 0.33, запахом гектана 0.6, для вкуса хлористого натрия — 1.3, для громкости звука 0.6, для электрического раздражения пальцев 3.5, для тактильной вибрации с частотой 60 Гц — около 1.

Графически вышеупомянутые зависимости для трех ощущений представлены на рис. 12. Показано также, что наклон функции на графике зависит, в пределах одной модальности, от параметров раздражителя (рис. 13). Например, показатель степени для вибраторной чувствительности меняется обратно пропорционально частоте вибрации, для яркости показатель степени тем больше, чем короче вспышка. На величину показателя влияет также наличие маскирующего стимула: чем выше шум, тем больше показатель степени.

Чем же определяются вариации показателей степени для различных органов чувств? Одно из возможных предположений состоит в том, что показатель степени отражает различия в механизмах преобразований внешней энергии в ту форму информации, которая доступна нервной системе. Если при превращении энергии света в генераторный потенциал должны уменьшаться различия в уровнях световой энергии, то при электрическом раздражении пальцев различия увеличиваются.

Рис. 12. Зависимость ощущений от величины различных стимулов.

По оси абсцисс — величина стимула, произвольные единицы; по оси ординат — психологическая оценка, произвольные единицы. 1 — электрический ток, 2 — видимая длина, 3 — яркость. Наклон каждой кривой равен показателю степени функции. При изображении в двойной логарифмической шкале степенные функции имеют характер прямых линий.

Рис. 13. Зависимость оценки величины вибрации разной частоты.

По оси абсцисс — логарифм смещения, мкм; по оси ординат — логарифм оценки величины. Цифра у кривой — величина частоты, Гц. Видно, что наклон кривых меняется обратно пропорционально частоте вибрации.

Промежуточным этапом между стимулом и ощущением является то преобразование, которое осуществляет нервная система от момента возникновения генераторного потенциала, свидетельствующего об активности нейронов первых уровней сенсорной системы, до момента появления ощущения — включения в процесс высших уровней мозга. Сделанное английским нейрофизиологом Э. Эдрианом в 1930 г. открытие, что сенсорные проводники сообщают мозгу об усилении стимуляции повышением частоты разряда, послужило толчком для выяснения количественного соотношения физических параметров стимула и реакций нейронов первых и последующих уровней сенсорных систем. Многие физиологи подтвердили, что сенсорный ответ, определяемый по частоте импульсации нервного проводника, пропорционален логарифму раздражения. Однако логарифмическая зависимость оказалась не единственной для случаев оценки сенсорного ответа по данным электро-физиологического анализа. Достаточно часто встречалась степенная зависимость, а в более редких случаях — почти линейная зависимость.

В некоторых сенсорных волокнах обнаружена так называемая S-образная зависимость частоты импульсации от интенсивности стимула. Она особенно характерна для волокон вкусового и слухового нервов, а в ряде случаев такая зависимость связывает величину раздражителя и рецепторного потенциала, в частности телец Пачини и обонятельных рецепторов лягушки. Показано, что если стимул и реакция воспринимающего его сенсорного органа связаны логарифмической, степенной или S-образной зависимостью, то рецепторный потенциал и реакция одиночного нервного волокна, как правило, связаны линейными отношениями.

Как примирить эти многочисленные известные соотношения стимула и реакции с массой фактов, подтверждающих закон степенной зависимости ощущения? Возможно, что деятельность переключательных станций в сенсорных системах вносит свой вклад в изменение соотношений в процессе передачи информации. К какому же моменту отношения между стимулом и конечной реакцией становятся степенными? На эти вопросы в настоящее время нет ответов. Следует заметить, что хорошее соответствие, корреляция показателей функции, полученных разными объективными методами (морфо-функциональными, нейрофизиологическими), с закономерностями, свойственными ощущению, — это лишь косвенный, хотя и обнадеживающий показатель связи процессов разного уровня — физиологических и психологических. Отсутствия соответствия между единым и неделимым психологическим процессом и отдельными физиологическими функциями, исследованными аналитическими методами, еще не достаточно для заключения об отсутствии их взаимосвязи и взаимообусловленности. Один из крупных специалистов в области физиологии слуха Г. Бекеши считал, что объективные наблюдения электрофизиологов не обязательно полнее и содержательнее субъективных данных психологов: ведь электрофизиологические данные относятся только к одному параметру сложного феномена.

Рассмотренные выше количественные соотношения между величинами стимула и ощущением по существу отражают так называемый дифференциальный порог. В сенсорной физиологии широко принято измерение абсолютных порогов — т. е. чувствительности сенсорной системы к данному виду раздражителя.

В психофизической литературе понятие порога употребляется в двух разных значениях. В одном значении он определяется как барьер, разделяющий стимулы на воспринимаемые и невоспринимаемые. Этот барьер должен быть преодолен, чтобы возникло ощущение. В другом значении порог характеризуется некоторым числовым показателем. Он представляет собой значение, которое либо соответствует 50—70%-ному обнаружению или различению, либо определяется как средняя величина между возникновением и исчезновением ощущения, либо как одна из статистически принятых мер вариативности. Существует множество различных способов и процедур измерения порога реакции системы. Они описаны и проанализированы в специальной литературе (см., например: Бардин К. В. Проблема порогов чувствительности и психофизические методы. М.: Наука, 1976. 395 с.). В наших целях использованы различные способы пороговых измерений.

Глава 2. Возможности применения фокусированного ультразвука для изучения органов чувств

За последние 30 лет ультразвук начали использовать в самых различных областях техники, биологии и медицины. Накопилась обширная литература, многие тысячи источников, целые «слои». В большинстве случаев речь здесь идет о несфокусированных, т. е. или расходящихся, или прожекторно-направленных, колебаниях. Фокусированному ультразвуку до настоящего времени отводилось весьма скромное место.

В физиологии и медицине действие ультразвука изучалось, как правило, с точки зрения вызываемых им разрушений или лечебно-терапевтических влияний. Лишь в 60-е годы П. О. Макаров, Б. М. Сагалович и некоторые другие исследователи начали применять ультразвук для получения функциональных эффектов. Заметим сразу, что мы не касаемся обширной области «ультразвуковой визуализации органов и тканей», которая уже давно выделилась в самостоятельное научно-техническое направление. Толчком к расширению исследований «функциональных возможностей» фокусированного ультразвука явились представления В. А. Цукермана, сформулированные в 1969 г. Он считал перспективными попытки активировать нейроны головного мозга в заданной области сходящимися ультразвуковыми волнами, что исключило бы необходимость оперативного вмешательства для доступа к нужной структуре и использования контактных электродов.

Появившееся в начале 70-х годов содружество представителей нескольких учреждений — лабораторий, возглавлявшихся членом-корреспондентом АН СССР Г. В. Гершуни, доктором биологических наук О. Б. Ильинским, доктором физико-математических наук М. Г. Сиротюком, положило начало исследованиям функционального действия фокусированного ультразвука на поверхностные и глубокие структуры организма человека и животных.

Первоначально возникла простая на первый взгляд мысль: искать активирующее действие ультразвука прежде всего на рецепторном уровне сенсорных систем, как наиболее чувствительном к действию внешних стимулов. Были получены первые результаты, которые показали возможность раздражения системы кожной чувствительности импульсами фокусированного ультразвука. И вся гамма ощущений, которые в естественных условиях хорошо знакомы каждому — от легкого прикосновения, щекотки, тепла или холода до боли, — возникала при изменении параметров ультразвука. Эти ощущения были описаны, изучены, количественно охарактеризованы. Техникотеоретические исследования доктора технических наук Л. Р. Гаврилова и результаты изучения кожной чувствительности позволили расширить область применения фокусированного ультразвука и выяснить в дальнейшем возможность введения слуховой информации при фокусировке ультразвука на лабиринт. Исследования, проведенные с участием специалистов клинико-физиологического направления, дали возможность обосновать различные способы диагностики заболеваний слуха и кожной чувствительности. Экспериментальные физиологические исследования расширили представления об общих и специфических закономерностях в деятельности органов чувств и позволили обосновать безопасные режимы воздействия фокусированным ультразвуком на различные рецепторные воспринимающие поверхности.

В настоящее время еще недостаточно изучены механизмы активирующего действия ультразвука; необходимо изучить метрологическое обеспечение исследований, без которого невозможно, например, массовое применение ультразвуковых методик в клинике. Нет пока общепринятой стратегии выделения действующих факторов ультразвукового стимула, обеспечивающих тот или иной функциональный эффект в конкретных случаях.

Исследования морфо-физиологов до сих пор — «первая лыжня» на сложном пути обоснования критериев действия ультразвука, его специфических особенностей с точки зрения реакции биологических систем, безопасности его воздействия. Ультразвук не только активирует, но и разрушает. Пусть велик диапазон между раздражающими и разрушающими режимами, но все же нужно помнить первую заповедь медика: не вреди. Для того чтобы ультразвук мог быстро и основательно стать на службу здоровья, необходимо участие врачей-исследователей, специалистов в области клинической физиологии сенсорных систем.

Сейчас фокусированный ультразвук используется в физиологии и разных областях медицины. В ряде случаев, однако, имеется только «введение», последующие «главы» нужно создавать. Отечественные работы по изучению и практическому использованию активирующего действия фокусированного ультразвука носят приоритетный характер, а это дополнительный аргумент для их усиления: важно, чтобы новая область развивалась и укреплялась.

Некоторые общие сведения об ультразвуке

Понятие «ультразвук» относится к волновому механическому колебательному процессу частотой от 2·10^4 до 10^9 Гц. Когда частота превышает 10^9, до 10^13, Гц, говорят о гиперзвуке. Выделение ультразвука как самостоятельного понятия исторически связано со слухом человека. Если частота механических колебаний, распространяющихся по воздуху, выше воспринимаемой человеком, говорят об ультразвуке или, в зависимости от частоты, о гиперзвуке; если ниже — об инфразвуке. По физической природе инфразвук, ультра- и гиперзвук не отличаются друг от друга. Отличия возникают преимущественно при взаимодействии каждого из перечисленных колебательных процессов со средой. Например, из-за очень малых длин волн гиперзвука существенным становится взаимодействие его с квазичастицами среды — электронами, фотонами и другими.

Удивительная способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, избегать препятствий в темноте всегда привлекала внимание и побуждала к выяснению ее причин. Итальянский ученый Л. Спалланцани в 1793 г. опубликовал сведения, согласно которым эта способность связана со слухом, а не со зрением, как предполагали раньше. Через 5 лет швейцарский энтомолог Ш. Жюрин привел данные, свидетельствующие о том, что именно слух летучих мышей позволяет им обнаруживать препятствия. Однако эти исследования не помешали французскому зоологу Ю. Кювье выдвинуть гипотезу, по которой способности к ориентации летучих мышей в темноте определяются очень развитой у них системой осязания. В дальнейшем английский ученый X. Хартридж вновь привлек внимание к возможности локализации этими животными колебаний высокой частоты, не воспринимаемых человеком. И лишь в 1938 г. Д. Гриффин — известный в дальнейшем американский специалист по ориентации с помощью эхолокации, а тогда студент — обнаружил высокочастотные сигналы, издаваемые летучими мышами. Исследования его и других ученых подтвердили ранние представления об ультразвуковой ориентации летучих мышей. К настоящему времени доказано, что многие животные издают и воспринимают ультразвуковые колебания: ночные птицы, например гуахара, млекопитающие, в частности некоторые из землероек, крысы, мыши. Спектр «звуков», издаваемых домашней кошкой, простирается до 60 кГц, то же самое характерно и для собак некоторых пород. Новые исследования постоянно увеличивают список животных, в сигналах которых присутствуют ультразвуковые составляющие. Наиболее детально изучены подобные сигналы у летучих мышей и дельфинов.

В повседневной жизни человек соприкасается с множеством источников ультразвуковых колебаний, природных или создаваемых им самим. Ультразвуки содержатся в шумах ветра и моря, издаются животными и даже самим человеком, присутствуют во время работы различных механизмов. В большинстве случаев они не воспринимаются человеком.

Ультразвук широко применяют в разных областях науки, техники, медицине. Специфические его особенности обусловлены, в частности, длиной волны, которая может быть короче диаметра излучающей поверхности, благодаря чему ультразвук способен распространяться направленно. Подобно свету его можно сфокусировать на ограниченном участке. В технике ультразвук получают преимущественно механическим и электроакустическим способами. В механических преобразователях кинетическая энергия, например струи воздуха, переходит в акустическую (принципы сирены, свистка). Другие принципы использованы в пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователях, которые значительно более распространены, чем механические. В пьезоэлектрических преобразователях использован эффект, обнаруженный в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. При деформации пластины кварца возникают электрические заряды. Электричество, возникающее при давлении, было названо «пьезоэлектричеством» («пьезо» — по-гречески «давить»). Но может быть и противоположный эффект: под действием электричества кварцевая пластинка меняет свои размеры. Если на пластинку подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной ее собственной резонансной частоте, пластинка начинает колебаться с наибольшей амплитудой.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на изменении размеров ферромагнитного материала при действии на него магнитного поля («стрикцио» — по-латыни значит «сжатие»).

В наших исследованиях использовались излучатели с пьезокерамическими пластинками, работающими по типу кварцевых. Интересно отметить, что в природе имеются достаточно компактно «выполненные» фокусирующие системы, например у дельфинов. У них существует жировая линза, расположенная кпереди от источника ультразвука, которая формирует направленное ультразвуковое излучение.

Фокусирование ультразвука

Концентрация ультразвуковой энергии может быть достигнута разными способами, например с помощью линз, аналогично фокусировке света; путем направления нескольких ультразвуковых пучков в одну область одновременно или последовательно — перемещением одного излучателя под разными углами к заданной области, наподобие того, как направляются рентгеновские лучи при томографии.

В последние годы часто применяются фокусирующие преобразователи (излучатели ультразвука), выполненные на основе пьезокерамики и представляющие собой по форме часть сферы. Частота излучаемого ультразвука равна собственной резонансной частоте пьезокерамической пластинки. Когда на пластинку подают переменный ток резонансной частоты, то она колеблется в поперечном направлении, преобразуя электрический ток в механические колебания — ультразвук. Наибольшая концентрация ультразвуковой энергии достигается в центре кривизны излучателя, на расстоянии от пластинки, равном радиусу кривизны. Место наибольшей концентрации энергии принято называть фокальной областью. Размеры фокальной области излучателя зависят от частоты резонансных колебаний пьезокерамической пластинки и некоторых его конструктивных особенностей, в частности от так называемого угла раскрытия (рис. 14). Чем выше частота и больше угол раскрытия излучателя, тем меньше размеры фокальной области. Интенсивность ультразвука зависит от свойств пьезокерамической пластинки и мощности генератора, подающего на пластинку переменный ток.

Рис. 14. Геометрические характеристики сферического излучателя ультразвука.

R — радиус излучателя, F — фокусное расстояние, h — глубина, αm — угол раскрытия, r_0 и l — соответственно поперечный радиус и продольная длина фокальной области.

Приборы, имевшиеся в нашем распоряжении, обеспечивали интенсивность ультразвука, осредненную по площади наибольшего поперечного сечения фокальной области, от долей до нескольких тысяч Вт/см^2. Как правило, каждый излучатель питался от генератора, настроенного на резонансную частоту пьезокерамической пластинки. Кроме того, имелись генераторы с несколькими излучателями. Перестройка на нужный излучатель достигалась сменой отдельных блоков и дополнительной подстройкой резонансного контура. Например, одним генератором можно было осуществлять работу на трех излучателях с резонансными частотами 0.48, 0.887 и 2.67 МГц.

Для обеспечения перемещений фокальной области излучателя в объекте и минимальных потерь энергии по пути распространения ультразвуковых колебаний между пьезокерамической пластинкой и объектом помещается согласующая среда. В качестве одной из наиболее приемлемых и доступных сред используется вода. Ультразвук распространяется в воде с минимальным затуханием. Чтобы еще уменьшить потери акустической энергии, в частности из-за возникновения кавитации, вода должна быть максимально гомогенной. Наиболее частая причина нарушения гомогенности воды — выделение мельчайших пузырьков газа. Пузырьки вызывают увеличение поглощения и рассеяния ультразвука, способствуют возникновению кавитационных эффектов, которые заключаются в образовании быстро захлопывающихся паро-газов микрополостей и возникновении длительно существующих и стабильных газовых пузырьков, колеблющихся с частотой ультразвука. Для уменьшения возможности появления пузырьков воду дегазируют. Можно пользоваться и дистиллированной водой в тех случаях, когда она собирается из дистиллятора в сосуд без доступа воздуха. Пригодность воды для использования в качестве акустически согласующей среды легко проверить, пропустив через воду ультразвук заведомо большей интенсивности, чем будет использоваться в дальнейшем. При этом в сосуде не должно появляться видимых глазом мельчайших пузырьков (дегазации жидкости).

Как практически осуществляют воздействие ультразвуком на объект через воду? В зависимости от задач исследования и особенностей конкретной методики объект, например рука обследуемого, и фокусирующий ультразвук излучатель могут быть размещены в резервуаре с водой. При этом руку можно перемещать относительно фиксированного излучателя или излучатель — относительно неподвижной руки. В таких условиях существует максимум возможностей для изменения места расположения фокальной области излучателя как на коже, так и в глубине руки.

Для увеличения точности локализации фокальной области излучатель перемещают относительно объекта с помощью специального координатного устройства. Иногда нет необходимости менять расстояние центра фокальной области относительно поверхности объекта. В таких случаях излучатель можно не погружать в воду, а, напротив, заливать воду в корпус излучателя. При этом часть корпуса, контактирующую с объектом, удобно выполнить в виде конуса, на открытом конце которого натянута тонкая, акустически прозрачная, например полиэтиленовая, пленка. В широкой части корпуса вода соприкасается непосредственно с пьезокерамической пластинкой, а в узкой части — с объектом (рис. 15). Для лучшего акустического контакта пленки с объектом, например с кожей, пленка и кожа смазываются вазелином. При необходимости изменить место расположения фокальной области конус заменяют на другой с большей или меньшей площадью сечения, прилегающего к объекту. При этом соответственно изменяется расположение фокальной области. Тех же результатов можно достигнуть, пользуясь излучателями, в которых пьезокерамическую пластинку можно перемещать внутри корпуса излучателя. Увеличение количества возможных перемещений фокальной области достигается в излучателях, конструктивно совмещающих особенности указанных двух типов, т. е. со сменными конусами и подвижной пьезокерамической пластинкой (рис. 15).

Рис. 15. Фокусирующие излучатели разных типов.

А — излучатель со сменным конусом и съемным указателем центра фокальной области, Б — с перемещающейся внутри корпуса пьезокерамической пластинкой, В — со сменным конусом, съемным указателем и перемещающейся пьезокерамической пластинкой. Вода внутри корпуса излучателей ограничена акустически прозрачной пленкой. Точкой на пленке обозначено место прохождения акустической оси излучателя.

В экспериментах с мелкими объектами, например с изолированными механорецепторами — тельцами Пачини, последние помещают в камеру, отделенную от резервуара с водой, где расположен ультразвуковой излучатель, акустически прозрачной пленкой. Камеру можно перемещать ближе или дальше по отношению к излучателю. Как правило, ее заполняют специальным водным раствором — для поддержания жизнедеятельности объекта во время опыта.

Сфера использования, режимы

Изучение действия фокусированного ультразвука на сенсорные системы животных и человека, связанные с различными органами чувств, выявило любопытный факт: ультразвук является удобным инструментом для раздражения сенсорных систем, и прежде всего тех, для которых в естественных условиях адекватным является механический стимул.

Работы, выполнявшиеся в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова АН СССР, в Акустическом институте им. академика Н. Н. Андреева АН СССР, Институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР, Ленинградском научно-исследовательском институте болезней уха, горла, носа и речи Министерства здравоохранения РСФСР и ряде других научных и лечебных учреждений, впервые показали: фокусированный ультразвук действительно может быть использован как раздражитель. Его активирующее действие в ряде случаев подобно естественной, адекватной стимуляции. Например, у человека фокусированным ультразвуком частотой из диапазона 0.5—4.0 МГц можно вызвать тактильные, слуховые, вкусовые и ряд других ощущений. Обнаружено активирующее действие ультразвука на воспринимающие нервные структуры животных и человека, расположенные в коже, мышцах, надкостнице, суставах.

По универсальности воздействия фокусированный ультразвук похож на электрический стимул, однако для успешного использования в каждом конкретном случае должен быть найден соответствующий режим воздействия. Если сенсорную систему сравнить с замком (возбудить ее — значит открыть замок), то ультразвук нельзя сравнивать с ключом, открывающим замок. Правильнее принять его за болванку такого ключа. Если в некоторых случаях, например при действии ультразвука на зрительную или вестибулярную системы, ключ не найден, т. е. не удалось получить активирующего воздействия, это еще не означает, что активация в принципе невозможна. Необходимо продолжить поиски активирующего режима ультразвукового воздействия. А что вообще такое «режим воздействия»? Иногда его называют дозой по аналогии, например, с дозой лекарства. Для достижения лечебного эффекта доза может быть разовой или многократной, неизменной при последующих приемах, возрастающей или убывающей. Принимать лекарство можно в высокой концентрации, предварительно разводить его, до еды, после и так далее. В общем замена «режима» «дозой» мало что проясняет.

Продолжим наше сравнение ультразвука, вернее — ультразвукового режима воздействия, с ключом, открывающим определенный замок, т. е. вызывающим активацию той или иной рецепторной или нервной структуры. Ключ может быть короче или длиннее, больше или меньше, открывать замок с одного или нескольких поворотов и т. п. Но во всех случаях он изготавливается из одной «болванки-ультразвука». В каждом режиме имеет значение место воздействия, включающее глубину от поверхности тела, объем и акустические свойства тканей, подвергающихся активации в фокальной области излучателя, а также расположенных по пути следования ультразвука от поверхности излучателя до фокальной области. Имеет значение частота ультразвука, интенсивность и длительность разового воздействия, необходимость однократного или многократного воздействий. В последнем случае бывает важна частота следования повторных включений и общее число стимулов.

Оптимальный режим может включать все или некоторые перечисленные компоненты, а также ряд других, здесь не указанных. Например, для активации тактильных рецепторов не важна частота ультразвука (в пределах диапазона 0.5—4 МГц), зато должна быть учтена амплитуда смещения среды в фокальной области, длительность стимулов, крутизна их переднего и заднего фронтов. Подробнее о тактильной рецепции будет рассказано дальше. Здесь лишь отметим, что минимальная длительность стимулов, при которых тактильные пороги будут самыми низкими, составляет 1—5 мс при условии, что стимулы прямоугольные по форме. Кроме того, пороги будут самыми низкими при частоте следования стимулов около 250 в секунду. Приведенный пример показывает также, что оптимальный режим воздействия может включать и такой критерий, как пороговая ответная реакция (порог тактильного ощущения).

Оптимальный режим — понятие совершенно конкретное по отношению к структуре, для которой выявляется возможность активации, или, следуя нашему сравнению, изготавливается ключ. Бывает, однако, ситуация, когда одним ключом можно открыть несколько замков. Действительно, обнаружены разные структуры, режимы активации которых весьма сходны. Но здесь мы вторгаемся уже в другую область — в изучение общих свойств различных органов чувств на основе сходства режимов активации.

Во всех исследованиях, когда применялись стимулы длительностью до 10 мс, тепловое действие ультразвука было настолько мало, что им можно пренебречь. Активация была связана с другими факторами, среди них — влияние знакопеременных колебаний ультразвуковой частоты. Природа влияния такого рода пока окончательно не ясна: могут иметь значение выделение биологически активных веществ, колебания собственных структур живых клеток, равно как и некоторые другие причины, о которых речь пойдет ниже.

Сопоставление с другими раздражителями

Когда с помощью ультразвука активируют те или иные структуры и регистрируют ответные реакции, будь то ощущения человека или электрические сигналы нервных единиц животных, возникает вопрос о сопоставлении ультразвукового влияния с действием адекватных раздражителей, т. е. тех естественных стимулов, на которые структуры приспособлены реагировать: тактильные ощущения обычно возникают при действии механических стимулов, вкусовые — химических и так далее.

Ультразвуковое воздействие по своей физической природе является механическим. Однако обычно механические колебания сопровождаются рядом других эффектов, зависящих от свойств биологических тканей в области воздействия, режимов ультразвуковой аппликации и пр. Речь идет, в частности, о выделении большего или меньшего количества тепла, биологически активных веществ, появления физико-химических эффектов, которые могут оказаться непосредственной причиной функционального влияния ультразвука.

Сопоставление ультразвука с адекватными раздражителями способствует выявлению действующих факторов ультразвукового стимула и места их приложения. Действующие факторы могут не совпадать по своей физической природе с адекватными раздражителями. Именно несовпадение зачастую открывает дополнительные возможности для изучения механизма адекватной стимуляции. Когда, например, было установлено, что действующим фактором ультразвукового стимула, определяющим появление ощущений тепла и холода, является механическое смещение, возник вопрос о его значении для температурной рецепции в естественных условиях. Результатом последующих исследований была новая гипотеза температурной рецепции (см. ниже).

При сравнении ультразвукового и адекватного (звукового) воздействий на слуховой лабиринт животных и человека оказалось, что место активирующего воздействия обоих раздражителей не одно и то же. Известно, что звуковые колебания, пройдя наружное и среднее ухо, активируют рецепторный слуховой аппарат лабиринта. При очень большой интенсивности звука иногда они одновременно могут активировать и вестибулярный аппарат, деятельность которого обеспечивает ощущение равновесия в пространстве. Раздражение звуком вестибулярного аппарата известно в клинике под названием феномена Туллио.

С помощью ультразвука тоже удается вызвать у человека слуховые ощущения, а у животных — электрические реакции в слуховых центрах мозга. А вот вестибулярных реакций получено не было. Ответы на ультразвук во многом похожи на реакции при естественной звуковой стимуляции. Но были обнаружены и различия. Именно различия позволили вначале предположить, а потом экспериментально доказать, что местом активации ультразвуком слуховой системы является не только рецепторный аппарат, но и проводниковые нервные структуры ушного лабиринта, а также волокна слухового нерва (см. ниже). Впервые установленная способность ультразвука активировать волоконные лабиринтные структуры и волокна позволила приступить не только к пересмотру существующих представлений о функции слухового рецепторного аппарата, но и к разработке новых способов диагностики различных заболеваний слуховой системы (глава 4). Появилась возможность «коснуться невидимого», заставить «звучать» ранее «немые» участки слуховой системы, чтобы выявить, здоровы они или больны, можно ли с помощью их активации пытаться восстановить утраченный или резко пониженный слух.

В каждом конкретном случае для анализа полученных эффектов необходимо выявить непосредственно действующие факторы ультразвукового стимула, являющиеся причиной ответной реакции. Один из способов — сопоставление ответных пороговых реакций на ультразвуковые и адекватные стимулы.

Однако прямое сопоставление в ряде случаев оказывается невыполнимым. Рассмотрим один такой случай. При действии ультразвука на слуховой лабиринт человека и животных можно вызвать ответные реакции, аналогичные реакциям на естественный, звуковой стимул. У человека изучают слуховые ощущения, у животных — зарегистрированные из слуховых центров мозга электрические потенциалы. Известно, что естественный акустический стимул через аппарат звукопроведения оказывает на рецепторы механическое воздействие. А в случае ультразвуковой аппликации? Пороговые электрические ответы из слуховых областей среднего мозга лягушки можно вызвать ультразвуком, интенсивность которого в фокальной области составляет менее 1 Вт/см^2. Это соответствует смещениям среды в фокальной области порядка от тысячных до десятых долей микрометра, т. е. величинам смещений жидкостей и мембран лабиринта лягушки, вызванных естественной акустической стимуляцией. Казалось бы, в обоих случаях играет роль механический фактор. Однако, когда у человека измеряли пороги слуховых ощущений, вызванных короткими стимулами звука и ультразвука, обнаружились различия ощущений по критерию длительности стимула. Опыты проводились следующим образом. Одним и тем же испытуемым предъявляли стимулы звука и ультразвука разной длительности и определяли порог слуховых ощущений. Оказалось, что наименьшие пороги регистрировали при действии звуков длительностью 100 мс и более. При действии ультразвука минимальная величина порогов была уже при длительности стимулов 1 мс. Разница на два порядка при высокой стабильности результатов у разных испытуемых не могла быть случайной. Возникло предположение о разных местах конечного, активирующего воздействия для стимулов звука и ультразвука, для первого — рецепторный аппарат, для второго — проводниковые лабиринтные нервные структуры и волокна слухового нерва.

Вопрос о месте воздействия весьма важен. Если оно одно и то же, указанные различия, вероятнее всего, зависят от разных действующих факторов. Дополнительные сведения о месте воздействия ультразвуком и, следовательно, о действующих факторах, дают клинические наблюдения. Речь идет о больных, утративших слух из-за разрушения рецепторного аппарата лабиринта патологическим процессом, но сохранивших функционально способными волокна слухового нерва. Такие больные в естественных условиях глухи, но у них можно вызвать слуховые ощущения при раздражении слуховых волокон электрическим током. Оказалось, что, несмотря на отсутствие слуха, больные испытывают слуховые ощущения в условиях действия на ушной лабиринт ультразвуковых импульсов или ультразвука, модулированного по амплитуде звуковым сигналом. Следовательно, можно предполагать, что ультразвук, как и электрический ток, активирует сохранившиеся волокна слухового нерва.

Это наблюдение соответствует результатам опытов на животных с предварительно разрушенным рецепторным аппаратом. Было показано, что при таких условиях ультразвуком активируются слуховые нервные волокна. Подробнее к результатам этих исследований мы вернемся в разделе о слухе.

Таким образом, клинические данные в сопоставлении с экспериментами на животных свидетельствуют о том, что ультразвук оказывает активирующее влияние на волокна слухового нерва. При электрическом раздражении слуховых волокон человека наименьший порог обнаружен при длительности электрического прямоугольного импульса 1 мс и больше. Случайное это совпадение с такой же величиной при действии ультразвука или отражение какой-то общей закономерности обоих стимулов? В действии электрического тока на волокно нет аналогии с механическим раздражением, которое ранее выступало действующим фактором ультразвуковой стимуляции. Однако тогда речь шла о пороговой стимуляции. А при нарушении функции рецепторного аппарата пороги ответных реакций на ультразвук возрастали и у животных, и у человека. Не исключено поэтому, что в таких условиях выступает иной действующий фактор. Возникло предположение о преобразовании в тканях ультразвукового импульса в электрический сигнал, который и вызывает слуховое ощущение. В пользу предположения служат данные литературы о так называемом механо-электрическом эффекте в биологических тканях. Суть его заключается в том, что при действии ультразвука на живую ткань, особенно на костную, в ней возникает электрический сигнал. В результате было установлено, что эффекты ультразвука пороговых и умеренных надпороговых интенсивностей (до 35—40 дБ) связаны главным образом с адекватным механическим фактором. При больших интенсивностях проявляется другой фактор, предположительно механо-электрический.

Сопоставление фокусированного ультразвука как раздражителя с другими адекватными или искусственными стимулами целесообразно рассматривать не только с целью выявления действующих факторов ультразвука, но и для изучения различий ультразвуковой активации по сравнению с воздействием другими стимулами. В некоторых случаях несомненны преимущества ультразвука. Какие именно? Действие на строго ограниченную область, размеры которой можно изменить в широких пределах и выбрать произвольно; количественно контролируемое измерение интенсивности, широкий выбор режимов воздействия, от стимулирующего до функционально угнетающего или разрушающего. В процессе выбора оптимального режима иногда можно использовать действующий фактор, нужный в одном случае, и отказаться от использования его — в другом. Пожалуй, только фокусированный ультразвук обладает уникальной способностью воздействовать на глубинные структуры организма без какого-либо влияния на окружающие ткани. Преимущество ультразвуковой активации делает наиболее плодотворным изучение общих и специфических закономерностей в работе периферического аппарата сенсорных систем.

Ультразвуковое воздействие и безопасность

В зависимости от режима и места воздействия ультразвуком у животных и человека можно вызвать строго определенные функциональные реакции, угнетение этих реакций и разрушение тканей. В связи с этим особое значение приобретают вопросы не только оптимальных режимов, но и безопасности.

Фокусированный ультразвук частотой несколько мегагерц — неспецифический стимул, поскольку в организме животных и человека отсутствуют органы чувств, способные производить или улавливать механические колебания такой частоты. Даже «классические ультразвуковые животные» — летучие мыши и дельфины — способны излучать и воспринимать ультразвук лишь до сотен килогерц. Речь идет, таким образом, о неспецифических режимах облучения ультразвуком, причем с целью не только получить определенный эффект, но и многократно его воспроизвести без какого-либо вредного влияния на облучаемую структуру или организм в целом.

Фокусированный ультразвук большой интенсивности впервые стали использовать в технике для смешивания нерастворимых друг в друге жидкостей, очистки загрязненных деталей, для нагревания ограниченных объемов среды и т. д. В биологии и медицине подобные режимы воздействия, только при меньшей интенсивности ультразвука, использовали для разрушения биологических тканей, в частности патологически измененных структур мозга. Эта наиболее очевидная область применения ультразвука получила признание не только в эксперименте, но и в клинике, например в нейрохирургии. Другая, сравнительно новая область, в которой успешно используется способность ультразвука вызывать деструкцию биологических тканей, — офтальмология. Фокусированным ультразвуком пытаются задержать отслойку сетчатки, образуя в ней очаги асептического воспаления, фиксирующие сетчатку к соседним оболочкам и препятствующие тем самым ее дальнейшей отслойке. Облучение ультразвуком хрусталика глаза ускоряет формирование катаракты. Формирование, развитие, или, как говорят офтальмологи, созревание, катаракты — необходимая предпосылка для ее успешного оперативного лечения. Как правило, такое созревание завершается за несколько месяцев. Облучение хрусталика фокусированным ультразвуком ускоряет этот процесс до нескольких минут.

Результатом исследований последнего десятилетия стало выявление раздражающего действия фокусированного ультразвука. Кроме того, стало известно и другое функциональное его действие, включающее обратимую блокаду проведения нервных импульсов и еще некоторые феномены.

Для угнетающих, разрушающих и некоторых активирующих воздействий чаще всего применяют непрерывное облучение ультразвуком. В таких случаях полнее используется один из действующих факторов ультразвука — выделение тепла в области воздействия. Прямое раздражение ультразвуком рецепторных и нервных структур, когда у человека возникают специфические ощущения, а у животных можно зарегистрировать электрические специфические ответы, осуществляется одиночными стимулами ультразвука или при помощи ультразвука, модулированного по амплитуде полезным сигналом. С точки зрения безопасности, в ряде случаев предпочтительнее импульсное воздействие — стимулами, следующими друг за другом в случайном порядке или с определенной частотой. Это важно учитывать особенно тогда, когда эффекты, получаемые при том и другом способах воздействия, сходны. Например, одинаковое по высоте слуховое ощущение человек испытывает при использовании ультразвука, модулированного по амплитуде колебаниями частотой 500 Гц и ультразвука в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мс и частотой их повторения 500 в секунду. Пороги ощущения для людей с нормальным слухом, измеренные по интенсивности ультразвука, в этих случаях близки. Естественно, выгоднее импульсный режим: при меньшей затрате энергии, а следовательно, при меньшей потенциальной возможности повреждений достигается тот же результат. Дело здесь не только или, вернее, не столько в реализации суммарного количества введенной ультразвуковой энергии, сколько в существовании физиологических механизмов, реагирующих не на общее количество энергии, а на другие параметры стимуляции.

Приведем еще пример. Для непрерывного облучения мозга лягушки в течение 30 с ультразвуком частотой 2.5 МГц безопасная интенсивность ультразвука, т. е. не вызывающая деструктивных изменений, составляет около 100 Вт/см^2 (интенсивность осреднена по площади фокальной области). В импульсном режиме облучения (длительность прямоугольных импульсов ультразвука 1 мс, частота их следования — 500 в секунду) аналогичная интенсивность — уже порядка 800 Вт/см^2. Суммарная энергия, введенная в организм, в 4 раза больше во втором случае, чем в первом. Пример демонстрирует существенное значение распределения ультразвуковой энергии во времени.

В наших опытах минимальная интенсивность амплитудно-модулированного ультразвука, вызывающего у человека слуховое ощущение, была принята за пороговую; при этом максимальная интенсивность, которая использовалась в экспериментах, составляла около 60 дБ над порогом. При этом случае появлялось ощущение тепла на месте контакта акустически прозрачной полиэтиленовой пленки с кожей головы. Максимальная интенсивность (в дБ) рассчитывалась как 20 lg In/I_0, где In — максимальная интенсивность ультразвука (Вт/см^2), I_0 — пороговая интенсивность (Вт/см^2). Аналогичный расчет был использован при воздействии на ушной лабиринт травяной лягушки одиночными стимулами фокусированного ультразвука длительностью 1 мс. Эти опыты показали, что в интервале около 35—40 дБ над порогом обнаружения ответной электрической реакции в слуховых центрах среднего мозга амплитуда ответа возрастает пропорционально увеличению интенсивности стимула, как это имеет место и при ответах на звук. При интенсивности 40—50 дБ амплитуда ответов на ультразвук растет быстрее, чем на звук, рост ее относительно замедляется при интенсивности ультразвука от 50 до 55 дБ. При интенсивности ультразвука выше 55 дБ амплитуда ответа начинает уменьшаться, в ушном лабиринте появляются морфологические изменения, приобретающие по мере дальнейшего увеличения интенсивности характер деструктивных.

Экспериментальные данные, полученные на животных, подтверждаются в наблюдениях у здоровых людей, когда испытуемые устанавливали равную громкость ощущений при воздействии на одно ухо звуком, а на другое — ультразвуком, модулированным по амплитуде аналогичным звуковым сигналом. Приблизительно до уровня 30—35 дБ относительно слухового порога для ощущения равной громкости требовалось одинаковое надпороговое увеличение интенсивности ультразвука и звука. В диапазоне 35—50 дБ для равной громкости требовалось более значительное увеличение интенсивности звука.

Сопоставление результатов исследований, проведенных на лягушке и человеке, при учете различий объектов и методики исследования, тем не менее указывает на качественную и даже количественную однотипность результатов. Действительно, в определенном надпороговом интервале интенсивностей ультразвука величина ответной реакции (амплитуды электрического ответа из слуховых центров среднего мозга — у животного и ощущения равной громкости — у человека) закономерно связана с интенсивностью. За пределами этого интервала закономерность связи нарушается. Если сравнить динамический диапазон интенсивностей у лягушки и человека, в котором отмечены закономерные связи, он оказывается больше у лягушки (около 55—60 дБ), чем у человека (около 50 дБ). Основную причину указанных различий усматривают в том, что у человека использовали амплитудно-модулированный ультразвук, а для животных — импульсный. Как уже указывалось, при импульсном режиме общую ультразвуковую энергию и интенсивность отдельных импульсов можно увеличить в несколько раз по сравнению с непрерывным облучением, а также с облучением при амплитудной модуляции.

Приведенные примеры подтверждают, что установить определенный режим воздействия необходимо как по соображениям безопасности, так и для достижения тех или иных функциональных эффектов.

Глава 3. Ультразвук как раздражитель органов чувств

Исследования, выполненные рядом научных и клинических учреждений, продемонстрировали возможность активировать фокусированным ультразвуком различные рецепторные системы. У человека ультразвуковые воздействия вызывали весь набор ощущений, связанный с естественной активацией периферического аппарата соматосенсорной системы: тактильные, болевые, ощущения вибрации, тепла, холода, щекотки, зуда. С помощью ультразвуковых воздействий возникали также слуховые и вкусовые ощущения. Электрофизиологическими методиками получены ответы при действии фокусированного ультразвука на рецепторный аппарат равновесия (статоцист) моллюсков, на электрорецепторную систему рыб, на слуховую систему лягушки.

Тактильная чувствительность

Если совмещать центр фокальной области излучателя ультразвука с чувствительными точками на коже человека, то действием ультразвука можно вызвать тактильные ощущения. В зависимости от интенсивности и длительности стимулов человек характеризует ощущения как легкое прикосновение, наподобие прикосновения маленькой кисточкой, слабый локальный толчок, удар капельки воды и так далее.

Еще с конца прошлого века благодаря исследованиям М. Бликса, М. Фрея и других ученых известно, что чувствительность кожи дискретна, т. е. существуют чувствительные места и нечувствительные, «слепые». Действие неразрушающих стимулов на такие слепые места не вызывает ощущений. Только при разрушении тканей возникает боль в области, размер которой значительно обширнее, чем место воздействия. Диаметр отдельных чувствительных мест может быть очень мал. Именно поэтому их называют чувствительными точками.

На коже кисти чувствительные точки расположены очень плотно по всей поверхности. На предплечье и плече плотность уменьшается. Ощущения в ответ на действие ультразвука появляются здесь лишь в том случае, если фокальная область попадет в чувствительную точку. В соседних, «слепых» точках, где нет рецепторных структур, ультразвук не вызывает ощущений, за исключением разлитой боли, возникающей при определенных режимах воздействия.

Когда используют стимулы фокусированного ультразвука длительностью приблизительно до 25 мс, возникает одиночное тактильное ощущение. При большей длительности появляются два ощущения, соответствующие началу и концу стимула. В опытах с применением ультразвуковых частот в диапазоне 0.47—2.67 мГц величина порога ощущения не зависит от частоты ультразвука как таковой, а связана с амплитудой смещения среды в фокальной области. Как только достигается необходимая величина амплитуды смещения тканей в области воздействия порядка 0.05—0.1 мкм, возникает пороговое тактильное ощущение. Не следует, однако, забывать, что колебательное смещение частиц среды происходит с частотой ультразвука. Казалось бы, возникает противоречие: пороги не зависят от частоты ультразвука, но в то же время измеряются амплитудой знакопеременного смещения, частота которого соответствует частоте ультразвуковых колебаний. Однако уже отмечалось, что ощущение вызывается только короткими ультразвуковыми стимулами, а при их удлинении возникают два ощущения, отмечающие начало и конец стимула. Следовательно, ощущения соответствуют переднему и заднему фронтам стимулов. Тогда понятно, почему величина порога не зависит от частоты ультразвука. Совершенно неважно, какой будет частота «заполнения» стимула, если ответная реакция возникает только на его начало и конец.

В физиологии органов чувств есть понятие об оптимальной частоте стимуляции. В зоне оптимальной частоты порог реакции наименьший, диапазон интенсивности и способность к различению наибольшая. В нашем случае это не частота ультразвука, а частота следования ультразвуковых стимулов, при которой пороги тактильного ощущения будут наименьшими. Для тактильной рецепции такая частота — около 250 Гц. Если стимулы будут следовать друг за другом чаще, пороги тактильных ощущений повышаются, а при частоте следования выше 700 импульсов в секунду тактильные ощущения вызвать не удается. Такая закономерность существует не только для ультразвуковых стимулов, но для любых ритмических механических воздействий на кожу, например с помощью вибратора. Становится ясно, почему тактильные пороги не связаны с частотой ультразвука: физиологический предел срабатывания кожных рецепторных структур — около 700 Гц, а частота ультразвука на три порядка выше.

При перемещении фокальной области по коже руки в направлении от пальцев к предплечью пороги тактильных ощущений постепенно возрастают. На предплечье не удается найти ни одной чувствительной точки, в которой эти пороги были бы равны или ниже, чем в точках на коже кисти (рис. 16). О чем свидетельствует этот факт? Со времен М. Бликса и М. Фрея известно, что в коже находятся тактильные рецепторные структуры разнообразного строения. Известно также, что плотность их распределения уменьшается по направлению от пальцев к предплечью. Следовательно, величина порога связана не с морфологическими особенностями рецепторных структур, как предполагали ранее, а с их количеством. Чем меньше рецепторных структур на единицу площади поверхности кожи, тем выше тактильный порог.

Полученные данные и сделанный вывод пока не отрицают полностью связи функции со строением тактильной рецепторной структуры. Дело в том, что тактильные пороги на коже тыльной стороны кисти и предплечья оказались выше, чем на ладонной стороне. Это видно на том же рисунке (16, Б). Рецепторный аппарат тыльной поверхности связан с кожными волосками, которых нет на ладони, и вообще строением существенно отличается от рецепторных структур неволосистой, как принято говорить, гладкой кожи. Пока неизвестно, различается ли по плотности распределение рецепторных структур ладонной и тыльной поверхности кожи руки. Поэтому и нет окончательного суждения о том, в каких соотношениях находятся строение и функция тактильных рецепторных структур этих двух «разновидностей» кожи.

Рис. 16. Исследование тактильной чувствительности.

А — фрагмент установки для исследования чувствительности руки с помощью ультразвука, о — опорные держатели для руки, у — ультразвуковой фокусирующий излучатель, м — подвижная муфта для совмещения центра фокальной области излучателя с поверхностью кожи. Над излучателем — проекция кисти. Римскими цифрами обозначены области исследования: I—V со стороны ладонной поверхности, VI—X — со стороны тыльной. Арабскими цифрами помечены точки, в которых осуществлялось воздействие ультразвуком: точка 2 в VI области правой руки совмещена с центром фокальной области излучателя. Ультразвук частотой 2.56 МГц, воздействие в режиме одиночных прямоугольных импульсов длительностью 1 мс, предъявляемых произвольно, обычно не чаще, чем 1 имп./с.

Рис. 16 (продолжение).

Б — пороги тактильной чувствительности человека на кисти и предплечье по данным обследования 8 человек в возрасте от 20 до 42 лет. По оси абсцисс — номер обследованного участка; по оси ординат — амплитуда смещения среды в фокальной области ультразвукового излучателя, мкм. Кружки — пороги тактильных ощущений на ладонной поверхности кисти и предплечья (черные — первое измерение, светлые — повторные), треугольнички — пороги на тыльной стороне ладони и предплечья при однократном измерении.

Если фокальную область ультразвукового излучателя перемещать под кожу, пороги тактильных ощущений повышаются. В одних случаях человек ощущает воздействие в коже и не отличает его от воздействия при расположении центра фокальной области на коже. В других случаях возникают ощущения иного рода, наподобие разлитого толчка в глубине, пульсации сосуда, подергивания за сухожилие. Как правило, глубинное ощущение — более разлитое, чем кожное, без четких границ. Когда ощущение проецируется в кожу, можно предполагать два варианта активации ультразвуком чувствительных структур. Во-первых, могут активироваться структуры в коже. При этом более высокие пороги объясняются тем, что центр фокальной области расположен под кожей. Активация структур осуществляется тогда за счет действия на них края области, где интенсивность ультразвука значительно меньше, чем в центре. Не исключается и второй вариант, который предусматривает возможность активации идущих от кожи нервных волокон. В таком случае распространенность ощущения связана с местом ветвления волокон, и поэтому оно не столь локально, как при расположении центра фокальной области в коже. Если речь идет о тактильных ощущениях в глубине без проекции на кожу, возможна активация тех рецепторных структур, которые расположены в мышцах, стенках сосудов, в сухожилиях. Количество этих структур, как показывают наши опыты, уменьшается по направлению от пальцев к предплечью, поскольку наблюдается повышение порогов в этом направлении.

Ощущения щекотки и зуда можно считать разновидностью соответственно тактильных и болевых ощущений. Пороги щекотки, измеренные с помощью ультразвука, занимают промежуточное положение между тактильными и температурными порогами, пороги зуда — между температурными и болевыми. Соответственно в ощущении щекотки, вероятно, принимают участие тактильные и температурные рецепторы, в ощущении зуда — температурные и болевые.

Температурная чувствительность

Природа рецепции тепла и холода, сопровождающейся появлением температурных ощущений, до настоящего времени составляет одну из интереснейших загадок кожи как органа чувств.

Температурная чувствительность человека и животных, как и тактильная, дискретна, т. е. температурный стимул воспринимается не всей поверхностью кожи, а отдельными чувствительными точками. При действии на эти точки стимулами фокусированного ультразвука можно вызвать ощущения тепла или холода. Найти чувствительную точку можно, например, с помощью миниатюрного теплового источника — термода, прикладывая его к коже в разных местах. Место, где тепловое ощущение наиболее выражено или возникает при меньшей температуре кончика термода, и является искомой чувствительной точкой. Найти чувствительную точку можно и без термода, перемещая по коже центр фокальной области ультразвукового излучателя и определяя порог температурного ощущения при воздействии ультразвуком. В чувствительных точках ощущение наиболее выражено, и порог будет наименьшим. Температурных чувствительных точек на коже значительно меньше, чем тактильных. Чаще встречаются области, в которых воздействия термодом или ультразвуком не вызывает температурных ощущений. До настоящего времени наиболее распространена точка зрения о том, что в коже имеются две раздельные рецепторные системы, одна — для восприятия тепла, другая — холода. Согласно представлениям М. Фрея, в холодовых чувствительных точках находится специализированный рецепторный аппарат — колбы Краузе, в тепловых — тельца Руффини. Однако уже давно установлено, что кожный рецепторный аппарат представлен значительно большим числом разнообразных структур, и самое главное — множеством переходных форм. Соотношения между ощущением и определенной рецепторной структурой, установленные М. Фреем, оказались в основном умозрительными. Об этом свидетельствуют рассмотренные выше исследования тактильных ощущений, показавшие, что тактильные пороги кожной поверхности руки человека не зависят от строения расположенных в коже рецепторных структур. То же самое выявлено в отношении температурной рецепции. Например, было показано, что колбы Краузе могут быть связаны вовсе не с ощущением холода, а с тактильным, тепловым или болевым ощущениями. Ряд ученых считает, что ощущение тепла связано с определенным типом свободных нервных окончаний, а ощущение холода — со свободными нервными окончаниями другого типа. Соответственно расположению окончаний разных типов в коже пытаются выделить тепловые или холодовые чувствительные точки.

Рис. 17. Температурные ощущении при действии фокусированным ультразвуком на чувствительную точку кожи указательного пальца в зависимости от температуры воды, в которую погружена рука.

По оси абсцисс — номер эксперимента, по оси ординат — интенсивность ультразвука, Вт/см^2·10^3. Светлый кружок — ощущение холода, темный — тепла, светлый кружок с точкой внутри — ощущение холода, сменяющееся ощущением тепла. Ультразвук частотой 2.67 МГц, одиночные прямоугольные импульсы длительностью 10 мс.

Теперь обратимся к данным, полученным с помощью ультразвука. Испытуемый с найденными и помеченными на коже тепловыми чувствительными точками погружает руку в резервуар с водой. Вскоре наступает состояние адаптации, при котором человек перестает ощущать температуру воды. Начинаем воздействие на чувствительные точки стимулами фокусированного ультразвука длительностью приблизительно от 1 до 10 мс. Оказывается, что если температура воды ниже 30 °С, на какую бы чувствительную точку ни действовал ультразвук, возникает, как правило, ощущение холода. Если температура воды выше 35 °С, ультразвуковое воздействие в те же точки вызывает только ощущение тепла (рис. 17). Полученные результаты противоречат концепции тепловых и холодовых специфических чувствительных точек и рецепторов.

Для большей ясности необходимо было установить действующий фактор ультразвукового стимула, т. е. непосредственную причину возникновения ощущения при ультразвуковой стимуляции. Казалось бы, наиболее вероятной причиной тепловых ощущений является выделение тепла в фокальной области. Но отчего же тогда бывают ощущения холода? Известен опыт, описанный впервые немецким ученым Е. Вебером. Каждый желающий легко может его воспроизвести на себе. Опустите руки в сосуды с водой разной температуры. Подождите до тех пор, пока перестанете ощущать температуру воды, адаптируетесь. Затем перенесите обе руки в сосуд с водой промежуточной температуры. Для руки, бывшей в более холодной воде, вода в сосуде покажется горячей, для другой, бывшей в более теплой воде, теперь вода окажется холодной. Оценка температуры, как показывает этот опыт, весьма субъективна. Может быть, в опыте с ультразвуком на руке, погруженной в воду с температурой ниже 30°С, выделение тепла тем не менее вызывает субъективно ощущение холода? Так бывает в естественных условиях, например, если прикоснуться к охлажденной руке маленьким горячим предметом. В первый момент вместо тепла возникает ощущение холода. И все же такие объяснения не подходят. Дело в том, что температурные ощущения прямо не зависят от частоты ультразвука, в то время как выделение тепла увеличивается с повышением частоты. Пороги температурных ощущений оказались, как и пороги тактильных, зависимы от амплитуды смещения среды в фокальной области. Стоит достигнуть пороговой амплитуды смещения, как независимо от частоты ультразвука появляется температурное ощущение. Действующим фактором ультразвука опять оказался механический. Для тактильных ощущений выявление механического фактора при ультразвуковой стимуляции казалось вполне естественным: именно механически стимулируются тактильные рецепторы в естественных условиях.

Выявлено, однако, что и в температурной рецепции происходит нечто подобное. Изменения температуры кожи вызывают деформацию тканевых белков, окружающих рецепторные структуры, в первую очередь коллагена. Деформация и является механическим фактором, активирующим температурночувствительные рецепторные структуры. Если дело обстоит именно так, то почему в естественных условиях механический стимул, допустим вибрация или нажатие на кожу, не вызывает температурных ощущений? Вероятно, причина в тех же белках кожи. Они защищают температурные рецепторные структуры от механического воздействия, но до тех пор, пока сами не деформируются под влиянием температуры. Попробуем проверить предположение о защитной роли белков. У человека есть участки, где таких белков очень мало. Это, например, кожа верхнего века и роговая оболочка глаза. Проведем очень простой опыт. Заточим деревянную палочку, как затачивают карандаш, закруглим кончик, чтобы не поцарапать кожу. В зимний морозный день прикоснемся кончиком палочки к коже верхнего века. В ответ на это механическое воздействие появится ощущение холода. Если тот же опыт повторить в жаркий безветренный летний день или, например, в горячем отделении бани, прикосновение палочкой вызовет ощущение тепла. Получить ощущение тепла достаточно отчетливо удается не всем людям из-за индивидуальных особенностей кровоснабжения века. Но вот на поверхности роговицы ощущения холода и тепла в тех же условиях выявляются достаточно ярко. Только прикасаться к роговице палочкой не стоит: легко вызвать боль. Лучше воспользоваться тонким волоском или ниткой. Указанный опыт фактически воспроизводит ситуацию и результаты описанных экспериментов с фокусированным ультразвуком Ультразвук в отличие от естественного механического стимула обладает способностью преодолевать защитный барьер белков, поэтому явления, аналогичные вышеописанным, возникают на всех участках кожи, чувствительных к температуре.

Исследования с применением фокусированного ультразвука, дополненные простыми опытами с механической стимуляцией, приводят к нескольким выводам, важным для понимания температурной рецепции. Температурные ощущения в естественных условиях и под действием ультразвука вызываются в конечном счете механической стимуляцией рецепторного аппарата. Имеет ли все же какое-нибудь значение выделение тепла в фокальной области? Отмечено, что с увеличением количества тепла уменьшается амплитуда смещения среды в фокальной области, необходимая для появления порогового температурного ощущения. Это показали опыты, в которых определялись пороги температурных ощущений, вызываемых стимулами ультразвука разной длительности. Известно, что с увеличением длительности ультразвукового стимула увеличивается выделяемое количество тепла. При этом уменьшаются пороги температурных ощущений, рассчитанные по величине амплитуды смещения среды в фокальной области ультразвукового излучателя. Действие тепла на белки, окружающие рецепторную структуру, и механического фактора на саму структуру в конечном счете складываются.

Ощущения тепла и холода можно вызвать действием ультразвука на одни и те же чувствительные точки, при этом не имеет значения, где они находятся: на коже кисти, предплечья, плеча. Уже отмечалось, что в коже кисти рецепторные структуры расположены плотно, на предплечье и плече — реже. Между ними может быть расстояние больше 1 мм. При этом ультразвук в фокальной области будет активировать лишь одну структуру. Тем не менее в зависимости от температуры воды ультразвуковое воздействие вызывает ощущение тепла или холода. В результате делается следующий вывод: в коже имеются температурночувствительные точки, а не тепловые и холодовые, как предполагалось раньше. Этим точкам соответствуют общие для ощущений тепла и холода температурно-рецепторные структуры.

При расположении фокальной области излучателя под кожей ультразвуком также можно вызвать температурные ощущения. Однако человек всегда проецирует их на кожу Следовательно, рецепторный температурночувствительный аппарат человека расположен именно в коже, в глубже лежащих тканях его нет. Этот вывод хорошо согласуется с представлениями о роли сократительных белков, окружающих температурные рецепторные структуры. Сократительные белки имеются главным образом в коже.

Результаты исследования температурной чувствительности с помощью фокусированного ультразвука создали предпосылки для обоснования гипотезы температурной рецепции, которая позволяет не только объединить накопившийся экспериментальный материал, но и наметить пути будущих исследований в этой области. Эта гипотеза подробно изложена в работе Е. М. Цирульникова, приведенной в литературном указателе.

Боль

С полным основанием боль можно назвать сторожевым ощущением. Ее появление свидетельствует о неблагополучии, об опасности, подстерегающей организм извне или изнутри. Болью также называют неприятно окрашенные эмоции, иногда говорят о душевной боли. Отсутствие других ощущений, например зрения или слуха, может быть в какой-то мере скомпенсировано. При отсутствии боли возникает реальная опасность для жизни. Допустим, человек обжигает руку. Не чувствуя боли, он не отдергивает руку от источника поражения — довольно легко представить себе результат. Но вот боль возникла, ее причина ясна и устранена, а мучительное ощущение не стихает. Оборотная сторона, медали: боль выступает как несостоятельный сторож. Опасность обнаружена, даже устранена, а сторож продолжает сигналить. С такой болью приходится бороться, и борьба выступает как одна из важнейших задач медицины. А вот еще ситуация: бывает нужно заранее усыпить бдительность сторожа, не дать появиться боли, когда ее сигнальная роль для нас не имеет значения, например при хирургической операции. Над обезболиванием работает целая область медицины — анестезиология.

В дальнейшем речь пойдет исключительно о боли-стороже, точнее, о ее разновидности, которую называют «истинной» или «физической» болью. Возникает такая боль непосредственно в ответ на действие стимула и проецируется в место его приложения. Экспериментально удобным стимулом может быть фокусированный ультразвук.

Для систематического исследования боли был подобран такой режим воздействия, при котором ультразвук вызывает минимальное, пороговое болевое ощущение, сигнализирует о возможной опасности, но не разрушает ткани. Отсутствие разрушений подтверждается многократным стабильным по величине измерением болевых порогов в одном и том же месте. Преимущества ультразвука по сравнению с другими болевыми стимулами — тепловыми, механическими, химическими — выступают особенно отчетливо.

Прежде всего пороговое воздействие ограничено фокальной областью, т.е. заранее пространственно определено. Другими видами болевого воздействия, особенно тепловым или химическим, этого трудно достигнуть. В случаях, когда необходимо подействовать на структуры, расположенные под кожей: в мягких тканях, надкостнице, суставах и т. д., фокусированный ультразвук просто незаменим. Достаточно лишь направить фокальную область в нужное место. Отпадает надобность в предварительных оперативных вмешательствах или других манипуляциях для доступа к заданной структуре. Такие вмешательства могут не только затруднить последующее воздействие, но даже изменить характер ответной реакции, поскольку подлежащая воздействию структура часто оказывается в нефизиологических условиях.

При исследовании болевых ощущений с помощью фокусированного ультразвука отчетливо выступили ранее неизвестные закономерности или те, о существовании которых можно было только догадываться. Так, оказалось, что имеется ряд четко определенных видов боли, различающихся по степени неприятности ощущения, его распространенности и величине порога. Когда фокальная область излучателя располагается в коже — боль локальная, острая, как укол тоненькой иголкой или укус комара и пороги самые высокие из всех видов боли. При направлении фокальной области в мышцы боль ощущается пространственно шире, приобретает ноющий оттенок. Испытуемым она всегда неприятнее по сравнению с болью в коже. Пороги ниже, чем для боли в коже. Иногда болевое ощущение распространяется от места воздействия по направлению к пальцам. Обычно распространение соответствует ходу волокон какого-либо чувствительного нерва.

Если в фокальной области оказывается надкостница, боль субъективно еще неприятнее, а ее пороги — еще ниже. Появившись локально, ощущение боли в надкостнице мгновенно распространяется вокруг места воздействия и вновь концентрируется в самом месте. В случаях направления фокальной области в сустав — боль самая неприятная из всех описанных болевых ощущений, а ее пороги самые низкие. Зона иррадиации может захватывать весь сустав. Однако, как и в надкостнице, ощущение быстро концентрируется в месте воздействия.

Полученные данные позволяют объяснить известный в медицине феномен гиперпатии — повышенной мало локализованной болевой чувствительности, имеющей место, например, в период восстановления чувствительности после ожога. Кожа еще не зажила, чувствительность к прикосновениям отсутствует. Однако стоит применить более сильную стимуляцию, допустим, увеличить давление, как возникает резкая разлитая боль в глубине. Ее пороги ниже, чем для кожной боли. Это результат воздействия на глубинные структуры, проявление глубинных видов боли, которые раньше, под покровом неповрежденной кожи, отчетливо не выступали.

Как и другие виды ощущений, боль возникает при действии только на отдельные чувствительные точки на коже или в глубинных тканях. В некоторых из точек на коже при постепенном увеличении интенсивности ультразвуковых стимулов можно получить вначале тактильное ощущение, потом тактильное и температурное, затем к указанным ощущениям прибавляется боль. При действии на другие точки возникает только температурное ощущение и боль, тактильное и боль, только боль. Эти наблюдения можно расценить как дополнительное свидетельство о том, что тактильная, температурная и болевая чувствительность имеют каждая свой рецепторный аппарат. В отличие от температурночувствительного рецепторного аппарата, расположенного исключительно в коже, нервные структуры, связанные с рецепцией боли, находятся не только в коже, но и в различных глубинных тканях.

Изучение болевых порогов при направлении фокальной области ультразвукового излучателя на кожу и в подкожные ткани выявило новые факты: как правило, пороги ощущений боли, как и тактильные, возрастают по направлению от пальцев к предплечью, но в некоторых чувствительных точках предплечья пороги боли оказываются равными порогам на пальцах и ладони.

Наиболее непротиворечивая современная гипотеза болевой рецепции предполагает, что в области рецепторной структуры под действием различных внешних или внутренних агентов появляется (образуется на месте воздействия или переносится из других областей) биологически активное вещество. Возникновению ощущения боли предшествует взаимодействие этого алгезирующего, т. е. вызывающего боль, вещества с рецепторной структурой. На роль такого вещества имеется несколько кандидатов. Не исключено, что и реально существует несколько таких веществ. Наши исследования косвенно подтверждают эту химическую гипотезу. На образование или перенос алгезирующих веществ необходимо некоторое время, большее чем для непосредственной активации стимулом рецепторной структуры, как это имеет место, например, при тактильных ощущениях. Действительно, скрытое время реакции, т. е. время от момента предъявления стимула до появления ощущения боли, значительно больше, чем до появления тактильных ощущений. Разницу во времени прекрасно улавливают сами обследуемые: уже указывалось, что имеются чувствительные точки, в которых последовательно ощущаются прикосновение, появление тепла или холода и, наконец, после температурного ощущения или на его фоне — боль.

Данные о существовании смешанных чувствительных точек и чисто болевых в сочетании с описанными закономерностями в распределении болевых порогов на руке позволяют присоединиться к точке зрения о существовании специфической и неспецифической болевой рецепции. Неспецифическая имеет место в том случае, когда тактильные или температурные рецепторные структуры раздражаются сверхсильно. Поэтому, вероятно, боль в температурных чувствительных точках часто обладает жгучим характером, а тактильное ощущение в точках на коже при усилении стимуляции может перейти в острую колющую боль, напоминающую боль при уколе тонкой швейной иглы.

Тактильные ощущения связывают с наиболее толстыми миелинизированными (покрытыми миелиновой оболочкой) волокнами, температурные — с миелинизированными волокнами меньшей толщины. Чем тоньше осевой цилиндр волокна и тоньше миелиновая оболочка, тем медленнее оно проводит раздражение. При действии ультразвука на чувствительные точки, когда с увеличением интенсивности стимуляции имевшееся ранее тактильное или температурное ощущение сменяется болью, очевидно, функционируют более толстые волокна, в том случае, когда возникает ощущение боли с порогом ниже, без сопутствующих других ощущений, включаются тонкие волокна. Эти рассуждения согласуются с данными литературы о двух типах болевой рецепции: специфической, связанной с тонкими волокнами, и неспецифической, — с более толстыми.

Вибрация

Ощущение света связано со зрением, ощущение звука — со слухом. Имеется ли специфическое ощущение для вибрации? Для зрения и слуха существуют соответствующие органы чувств со специализированным рецепторным аппаратом. Для восприятия вибрации специализированного рецепторного аппарата не найдено.

С точки зрения физики вибрация и звук представляют собой механические колебания. Частота звуковых колебаний определяется возможностями слухового восприятия человека, приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. А частота вибрации? Одно время считалось, что ощущение вибрации связано с так называемой костно-тканевой проводимостью механических колебаний к рецепторам органа слуха.

Человеческое ухо настроено на восприятие механических колебаний воздушной среды. Про вибрацию говорят в тех случаях, когда источник колебаний соприкасается непосредственно с телом человека или колебания достигают тела через какую-либо, обычно твердую, среду. Однако, если, например, ножку звучащего камертона приставить к голове человека, слышен звук. В чем же разница между слухом и ощущением вибрации, да и есть ли вообще такое особое ощущение? Ведь некоторые ученые отождествляли его со слухом. Другие считали, что костнотканевая проводимость «работает» главным образом на голове, а если механические колебания приложены к телу, в их восприятии принимает участие аппарат тактильной рецепции. Были приверженцы существования особой костно-вибрационной чувствительности со своим рецепторным аппаратом. Наконец, еще одна точка зрения: ощущение вибрации есть элементарная форма чувствительности, свойственная любой ткани. В последние годы большинство ученых связывает ощущение вибрации с аппаратом тактильной рецепции. Исследования, выполненные с использованием фокусированного ультразвука, позволили поддержать эту точку зрения.

Прежде всего установлено, что с помощью ультразвука можно вызывать точно такие же ощущения, как при действии вибратора. На кожу пальца воздействовали ультразвуковыми стимулами длительностью около 1 мс с разной частотой их следования, а также фокусированным ультразвуком, модулированным по амплитуде синусоидальными колебаниями разных частот. Ультразвук в эксперименте выгодно отличается от вибратора тем, что практически полностью может быть исключено акустическое переслушивание по воздуху. Сравнение ультразвуковой стимуляции с действием вибратора показало, что в обоих случаях можно вызвать однотипное специфическое ощущение. Испытуемые называли его сверлящим, жужжащим, сравнивали с ощущением при движении на коже сверла или буравчика. Ощущение возникало при частоте следования ультразвуковых импульсов или частоте амплитудной модуляции от 15—40 до приблизительно 700 Гц. Частота колебаний вибратора была примерно в том же диапазоне. Характерно также, что при всех этих способах стимуляции человек не может различить изменения частоты воздействия. В то же время пороги ощущения для разной частоты различаются. Наибольшая чувствительность — т. е. наименьшие пороги — отмечена при частоте около 250 Гц как в случае ультразвука (частота модуляции, частота следования стимулов), так и при стимуляции вибратором (рис. 18). Пороги ощущения вибрации значительно выше слуховых порогов. Поэтому вполне естественно, что при подаче механических колебаний на голову с увеличением интенсивности стимуляции прежде всего появляется слуховое ощущение. Частотный диапазон его значительно шире, появляется частотное различение, а наибольшая чувствительность выражена к частоте колебаний 1000 Гц и более. Это типичные результаты, связанные с так называемой костной проводимостью.

Как уже было отмечено, выполненные исследования согласуются с данными литературы. Таким образом, есть все основания утверждать, что имеются существенные отличия ощущения вибрации от слуха. Ощущение вибрации не сопровождается какими-либо температурными или болевыми ощущениями, поэтому остается предположить связь ощущений вибрации лишь с тактильной рецепцией. Наиболее вероятно, что для ощущения вибрации нет специализированного рецепторного аппарата. Частота механических колебаний, вызывающих ощущение вибрации, с учетом данных, полученных с помощью фокусированного ультразвука и сведений литературы, — от 15—40 до 700—1000 Гц. Хотя эмпирически люди понимают, что такое вибрация, научного ее определения до последнего времени не было. Попытаемся его сформулировать.

Рис. 18. Ощущения вибрации, вызванные фокусированным ультразвуком.

По оси абсцисс на А — частота амплитудной модуляции ультразвука, Гц, на Б — частота колебания вибратора, Гц; по оси ординат на А — интенсивность ультразвука, осредненная по площади фокальной области, Вт/см^2, на Б — величина порога ощущения, дБ от уровня для частоты 250 Гц. Светлые и черные кружки — пороги для двух испытуемых.

Вибрацией называют механические колебания частотой в полосе от 15—40 до 700—1000 Гц, вызывающие у человека специфическое ощущение, для которого характерны минимальные пороги на частоте колебаний около 250 Гц и отсутствие частотного различения при равной надпороговой интенсивности воздействия.

Слух

Слуховой рецепторный аппарат относят к механорецепторам. Это значит, что он активируется механическими стимулами. Ультразвук, как уже известно, может активировать механорецепторы, например тактильные или температурные. (Напомним, что изучение температурной рецепции с помощью ультразвука позволило рассматривать ее как разновидность механорецепции). Поэтому вполне естественно пришла мысль сфокусировать ультразвук на улитку человека.

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.

Если ушной лабиринт человека из такого контингента глухих подвергнуть действию фокусированного ультразвука, человек также может услышать. Это — одно из подтверждений действия ультразвука на волокна слухового нерва. Как и в экспериментах на животных с разрушенным рецепторным аппаратом, пороги слуховых ощущений, вызванных ультразвуком, повышены по сравнению с порогами здоровых людей, причем на те же 35—40 дБ. Сходство проявляется и в ограничении динамического диапазона: слуховые ощущения глухого человека и электрические реакции из слуховых центров среднего мозга у животных с разрушенным рецепторным аппаратом проявляются в диапазоне всего 10—15 дБ. При дальнейшем усилении стимуляции животных сначала прекращается увеличение, а затем возникает уменьшение амплитуды ответа, появляется опасность повреждающего действия ультразвука, о чем свидетельствуют морфологические исследования. У человека при соответствующих интенсивностях стимуляции перестает увеличиваться громкость, а в месте контакта мешка с водой, в которую погружен излучатель, и кожи возникает ощущение тепла. Тепло, в данном случае побочный феномен, оказалось весьма полезным, так как служит предостережением от слишком сильных ультразвуковых воздействий.

Результаты исследований выдвигают вопрос, можно ли использовать ультразвук для протезирования глухих. Несмотря на получение у некоторых глухих людей слуховых ощущений с помощью ультразвука, положительно ответить сейчас на этот вопрос не представляется возможным. Во-первых, неизвестно, как долго можно пользоваться безопасно ультразвуковыми воздействиями даже небольших интенсивностей; во-вторых, нет еще достаточно портативных приборов, позволяющих осуществлять воздействие. Наконец, надо полагать, что как и при электроимплантационном протезировании, т. е. при стимуляции нервных волокон электрическим током с помощью электродов, введенных в улитку или слуховой нерв, при ультразвуковом воздействии потребуется обучение по индивидуальным программам, составленным в соответствии с функциональными возможностями сохранившихся нервных волокон и особенностями нервной системы человека.

Клинические исследования на больных с разными формами нарушений слуха показали целесообразность использования разных режимов воздействия фокусированным ультразвуком в качестве дополнительных диагностических методов. Диагностика поражений слуха чаще всего складывается из аудиологического и оториноларингологического обследований. Иногда привлекают дополнительные методы: рентгеновский, исследование функции вестибулярного аппарата, лицевого нерва и т. д.

Основу аудиологического обследования составляет тональная аудиометрия. Она преследует цель получить частотно-пороговую характеристику слуха по воздушной и костной проводимости. Слуховые пороги измеряют не во всем диапазоне слышимости, это было бы чрезвычайно трудоемко, а на фиксированных октавных частотах, т. е. последовательно увеличивающихся вдвое от 125 до 8000 Гц. Ухудшение слуха — повышение порогов слуховых ощущений — оценивают в децибелах от порогов нормально слышащих.

Подобно аудиограмме, можно получить частотно-пороговую кривую при действии на улитковый лабиринт фокусированного ультразвука. Для лучшего сопоставления с аудиограммой ультразвук можно модулировать по амплитуде синусоидальными колебаниями аудиометрических частот. Такая кривая незначительно отличается от аудиограммы нормально слышащих людей и значительно — у больных с нарушениями слуха. Отличается она и от аудиограммы этих больных. Для некоторых заболеваний различия весьма типичны и поэтому могут быть использованы в диагностике. Например, фокусированный ультразвук оказался полезным в диагностике отосклероза, заболевания, проявляющегося в ограничении подвижности слуховых косточек, которое сопровождается ухудшением слуха. При отосклерозе слух снижен главным образом по воздушной проводимости, т. е. когда звук распространяется по воздуху и с помощью ограниченно подвижных слуховых косточек. Если механические колебания поступают к рецепторному аппарату с участием костно-тканевой проводимости, слуховые пороги повышаются незначительно. Диагноз обычно ставится с учетом течения заболевания, сведений о состоянии слуха у родителей и родственников, осмотре уха и данных аудиограммы, на которой слуховые пороги по костной проводимости ниже воздушных порогов.

Однако, если раньше бывали воспалительные заболевания уха, повреждающие аппарат звукопроведения, аудиограмма может оказаться очень похожей на полученную при отосклерозе, а изменения барабанной перепонки могут быть очень незначительными или вообще незаметными при осмотре. В таком случае для уточнения диагноза очень полезным оказывается фокусированный ультразвук. На рис. 21 показаны аудиограмма и ультразвуковая частотно-пороговая кривая. Видно, что слуховые пороги при ультразвуковом воздействии не совпадают со слуховыми порогами на звук при воздушном и костном проведении. Кроме того, при некоторых частотах модуляции ультразвука в диапазоне его интенсивностей до 50 дБ относительно порога для нормально слышащих людей определить порог у больных вообще не удается. Это избирательное отсутствие чувствительности к ультразвуку, «провалы» — очень типичный признак в ультразвуковой диагностике отосклероза.

Рис. 21. Тональные аудиограммы и ультразвуковая частотно-пороговая кривая при отосклерозе.

Ультразвук частотой 2.47 МГц модулирован по амплитуде синусоидальными колебаниями аудиометрических октавных частот — от 125 до 8000 Гц. Кривая костной проводимости получена при расположении костного телефона на лбу. Кривые воздушной проводимости и ультразвуковая — с правого уха.

Фокусированный ультразвук успешно используют в диагностике нейросенсорной тугоухости, для уточнения степени подвижности лабиринтных окон при различных заболеваниях среднего уха, что бывает важно в решении вопроса о слухоулучшающей операции. Применяют фокусированный ультразвук и в диагностике опухолей слухового нерва на ранних стадиях их развития. Это чрезвычайно важно для успешного оперативного лечения таких больных.

Факт слухового восприятия фокусированного ультразвука глухими, свидетельствующий о сохранении у них части слуховых волокон, позволяет использовать ультразвук не только для попыток специализированного протезирования, на которые уже указывалось, но и для отбора кандидатов к электроимплантационному протезированию. Это совсем новая, пока только намечающаяся область применения фокусированного ультразвука.

Электро- и другие виды рецепции

Со времен греческих мыслителей принято насчитывать у человека пять чувств: слух, зрение, осязание, обоняние и вкус. Каждое чувство располагает своим органом — соответственно ухом, глазом, кожей, носом и языком.

Эта в сущности более житейская, чем научная, классификация построена по принципу адекватного стимула, к которому данный орган наиболее чувствителен, на который настроен. Ухо настроено на распространяющиеся воздушным путем механические волны, глаз — на световые, кожа — на восприятие контактирующих с ней источников механических колебаний, нос — на опознание химических агентов в воздухе, язык — в пище. Каждый из органов чувств имеет основную, наиболее важную часть — рецепторный аппарат и другую, вспомогательную. Вспомогательный аппарат для рецепторов глаза составляют глазное яблоко, хрусталик и другие образования. Рецепторный аппарат уха находится в окружении так называемого звукопроводящего аппарата, включающего ушную раковину, наружный слуховой проход, барабанную перепонку, полость среднего уха со слуховыми косточками и т. д. В коже, в носу, на языке также имеются структуры, выполняющие вспомогательную функцию, которая состоит главным образом в повышении чувствительности специфического рецепторного прибора к адекватному стимулу или в преобразовании стимула в адекватный.

С современной точки зрения, указанная классификация нестрога н неполна (см. главу 1). Например, в коже содержится аппарат не только для осязания (тактильной чувствительности), но также для температурной чувствительности и боли, а в ухе — не только для слуха, но и для чувства равновесия — так называемый вестибулярный аппарат. С каждым органом чувств, вернее с каждым специализированным рецепторным аппаратом, связывают определенное ощущение. Однако имеются ощущения, для которых не обнаружено специальных рецепторов, например ощущения вибрации, щекотки, зуда.

У животных имеются сходные с человеческими рецепторные структуры, однако есть и такие, которые у человека лишь отдаленно похожи или вообще отсутствуют. Например, у моллюсков аппаратом равновесия служат рецепторы, заключенные в маленькие образования — пузырьки-статоцисты. Считается, что эволюционно эти образования являются предшественниками более сложно устроенного вестибулярного и слухового аппаратов высших позвоночных животных и человека. У рыб и земноводных животных имеется рецепторный аппарат боковой линии, служащий для восприятия механических стимулов. У земноводных этот аппарат менее развит, чем у рыб, а у высших позвоночных и человека вообще отсутствует.

В последние десятилетия подробно изучали электро-рецепторный аппарат рыб. Подобного аппарата или его аналогов у высших животных и человека пока не найдено. Следовательно, в изучении электрорецепции не может быть использован психофизический метод исследования с измерением характеристик ощущения. Применение ультразвука для изучения функции статоцистов моллюсков, рецепторов боковой линии и электрочувствительного аппарата рыб позволило составить более ясное представление об их функции. В частности, плодотворным оказалось изучение электрорецепции.

Типичным электрорецептором некоторых рыб, например черноморского ската — морской лисы, являются ампулы Лоренцини. Каждое рецепторное образование действительно напоминает ампулу, связанную с расположенным под кожей каналом. Канал начинается на коже рыбы маленьким отверстием — порой, открывающейся непосредственно в воду. Заканчивается канал в теле колбообразным расширением. Это и есть собственно ампула. Скопления ампул покрыты соединительнотканной капсулой. Каналы разных ампул веерообразно сходятся к капсуле. Ампулы Лоренцини обладают высокой чувствительностью к изменениям электрического потенциала в морской воде, а также чувствительны к температурным и механическим воздействиям. От капсулы к мозгу идут нервные волокна, которые вместе образуют нерв. В электрофизиологических исследованиях доктора биологических наук Г. Р. Броуна и других ученых удалось зарегистрировать электрическую активность отдельных волокон нерва и ее изменения под влиянием разнообразных воздействий как на собственно ампулы, так на каналы и поры. Если фокальную область ультразвукового излучателя совместить с порой ампулы, то при действии ультразвука частотой около 2 МГц, импульсами длительностью 1 мс в одиночном нервном волокне можно зарегистрировать ответную электрическую активность. Однако реакция возникает лишь в тех случаях, если пору расположить над водой, а ультразвук пропускать через тело рыбы, и отсутствует при погружении поры в воду. Это наблюдение позволило сделать предположение, что действующим фактором ультразвука является механический, связанный с радиационным давлением. Известно, что механическое действие радиационного давления проявляется на границе сред с разными акустическими свойствами, в данном случае — на границе тела рыбы и воздуха. Ткани рыбы и вода более акустически однородны, поэтому действие радиационного давления незначительно и не вызывает ответной реакции, если пора находится в воде. В этом случае ответную реакцию вызывал механический стимул, например прикосновение к поре стеклянной палочкой.

Специальными исследованиями установлено, что механическое воздействие на пору вызывает появление в канале электрического потенциала, и последний, уже как адекватный стимул, выступает причиной импульсной электрической активности нервных волокон. Выдвигавшееся ранее предположение о прямой чувствительности ампулы к механическим воздействиям не получило подтверждения.

Непрерывное действие ультразвука на пору не вызывало эффекта, действие на скопление ампул в капсуле сопровождалось уменьшением и даже полным прекращением импульсации в нервных волокнах. В этом случае действующим фактором ультразвука оказалось выделение тепла. Эффект полностью воспроизводился при нагревании капсулы с ампулами естественным источником тепла.

Следовательно, электрорецепторные образования оказались чувствительными к электрическим и механическим воздействиям в области поры и тепловым — в области собственно ампул. Чувствительность электрорецептора к механическому стимулу можно в известной степени рассматривать как модификацию электрорецепции, поскольку стимул преобразуется в электрический сигнал. А каков смысл температурной чувствительности ампул? Наиболее вероятно, что она играет роль регулятора уровня электрорецепции, а не участвует в терморецепции как таковой. В пользу такого предположения служат данные о низкой теплопроводности тканей, отделяющих ампулы от водной среды, впрочем, как и вообще всех тканей холоднокровных животных. Эти данные получены опять-таки с помощью ультразвука. Вот один из примеров. Снижение температуры кожи скатов, искусственно повышенной воздействием фокусированного ультразвука (животное находилось в воде, температура которой была около 13 °C), продолжалось около 60 с, в то время как аналогичное снижение температуры кожи человека (при температуре воздуха около 20 °С) происходило за время, не превышавшее 1.5—2 с.

Таким образом, постепенно проясняется функциональная роль специализированных электрорецепторных структур, чувствительных к действию разномодальных стимулов.

Что касается действия фокусированного ультразвука на обонятельную, вкусовую, зрительную системы, наши знания весьма скудны. Про ультразвук и обонятельную систему пока просто нет сведений. При действии непрерывным ультразвуком на вкусовые области языка человека можно вызвать ощущение, очень сходное с «электрическим вкусом» — такое возникает, если замкнуть через язык разноименные полюса батарейки карманного фонарика. Попытки активации фокусированным ультразвуком рецепторных структур глаза пока не увенчались успехом. В чем тут дело, не найден нужный режим воздействия или в принципе активация зрительной системы ультразвуком невозможна, — пока неясно. Решение этого вопроса было бы весьма полезным как для дальнейшего изучения функции зрительной системы, так и для углубления наших знаний о возможностях и механизмах функционального действия фокусированного ультразвука.

Глава 4. Действие фокусированного ультразвука на нервные проводники и центры мозга

Исключительно разнообразный поток стимулов и соответствующих им ощущений можно классифицировать и тем самым ограничить определенными «измерениями», или «параметрами». Обычно рассматривают четыре измерения: качество (модальность, субмодальность или особенность в пределах одной модальности), силу (интенсивность), протяженность (пространство) и длительность (время). Каждый стимул и соответственно каждое ощущение могут изменяться в любом измерении, независимо от трех остальных. Именно поэтому вполне приемлемо представление сенсориума (чувственного восприятия) в виде матрицы (N×4), где N — основные сенсорные модальности, каждая из которых имеет четыре измерения. Собственно сама модальность ощущения является основным качеством стимула. Именно в пределах этого качества отличается свет от звука, запах от прикосновения, горечь от тепла и т. д. В пределах каждой модальности заключено огромное количество градаций (особенностей) по качеству стимула; градации эти, характеризуемые ощущением, и дают возможность получения представлений о свойствах стимулов и в конечном счете — о внешнем мире. Некоторые исследователи считают целесообразным выделять в пределах одной модальности так называемые субмодальности. Качество каждой субмодальности также имеет множество градаций. Например, тактильное ощущение может характеризоваться как прикосновение, давление, удар, вибрация.

Нетрудно заключить, что из всех перечисленных выше измерений только одно, а именно «качество», определяется видом воздействующей энергии, типом воспринимающей ее рецепторной поверхности и внутримозговыми связями этой поверхности, центральными сенсорными проекциями в мозге. Остальные три — интенсивность, пространственная протяженность и длительность — могут отражаться в проводниках, по крайней мере в проводниках первого порядка, идущих от рецепторов, при действии неадекватного раздражителя (например, электрического тока) так же точно и количественно определенно, как и при действии адекватного стимула. Известно, что увеличение силы и длительности воздействия электрического тока на нервные волокна вызывает увеличение частоты и длительности разрядов в них.

В главе 3 было показано, что импульсы фокусированного ультразвука при действии на различные рецепторные поверхности вызывают все виды ощущений, в основе возникновения которых лежит раздражение механическими видами энергии. Экспериментальные и расчетные данные свидетельствуют в пользу предположения о том, что основным действующим фактором фокусированного ультразвука является смещение частиц среды или тканей, окружающих рецепторные образования в фокальной области излучателя. Неудивительно, что, будучи механическим по своей физической сущности раздражителем, фокусированный ультразвук представляется достаточно универсальным и адекватным способом изучения деятельности различных механорецепторных систем.

А если фокусированным ультразвуком воздействовать непосредственно на проводниковые и центральные структуры сенсорных систем, может ли он вызывать те формы активности, которые характерны для данной сенсорной системы, может ли он стать раздражителем нейронных структур? Какие эффекты, характеризуемые типичными ощущениями, показателями электрической или двигательной активности, связанные с определенными зонами центральной нервной системы, могут быть зарегистрированы? Возникают ли структурные изменения в зоне действия такого стимула? Поставленные вопросы имеют принципиально важное значение для решения ряда фундаментальных и практических задач. К их числу относятся, например, развитие представлений о сенсорной специфичности раздражителя и зависимости ощущения от места воздействия стимула, выяснение возможности компенсации утраченных сенсорных функций, поиски подходов к определению регулирующего и управляющего воздействия на структуры мозга, обусловливающие различные формы поведения. В качестве важных проблем должны быть также названы исследования развития определенных состояний центральной нервной системы под влиянием внешних высокочастотных акустических полей и изучение контролируемых разрушений в центральной нервной системе, полученных бесконтактным воздействием ультразвука на заданные структуры мозга. Решение последней задачи необходимо как для нейрофизиологии и нейроморфологии, так и для нейрохирургической практики.

Даже далеко не полное перечисление аспектов применения ультразвука и возможных результатов исследований, находящих практическую реализацию, свидетельствует о необходимости проведения широкого фронта научных изысканий в этом направлении. Следует, однако, отметить, что большинство имеющихся к настоящему времени данных получено в результате изучения повреждающего действия ультразвука на биологические ткани. Значительно меньший материал получен в связи с изучением действия ультразвука на проводниковые структуры двигательных систем. Считанное число исследований посвящено обратимым изменениям функций при облучении центральных мозговых структур. Проблема активации периферических сенсорных структур в условиях выключения рецепторного аппарата изучалась только в наших работах.

Характеризуя деятельность нервной системы в условиях воздействия любого стимула, можно выделить следующие основные эффекты активация, угнетение, модуляция и повреждение. В основе трех первых эффектов лежат основные нервные процессы (возбуждение и торможение). Они выражаются в двух видах электрической активности — импульсной передаче по типу «все или ничего», характерной для нервных клеток и аксонов, и медленных электрических потенциалах в зонах соединений и взаимодействий между нейронами. Факторы, приводящие к повреждению, многообразны.

Активация и угнетение

Для оценки активирующего действия раздражителя, в нашем случае фокусированного ультразвука, можно использовать ряд показателей: возникновение специфического ощущения, характерного для исследуемой сенсорной системы в условиях отсутствия рецепторного аппарата, появление электрического ответа проводниковых или центральных структур, связанных с данной системой, усиление под воздействием раздражителя электрических ответов проекционных зон и, наконец, возникновение или усиление реакций двигательной эффекторной системы. Активация может изучаться как при прямом действии раздражителя на центральные нервные структуры, так и при опосредованном действии, а именно в тех случаях, когда воздействие наносится на одни участки нервной системы, а эффекты активации регистрируются от других ее участков. Рассмотрим те доказательства активирующего воздействия фокусированного ультразвука, которые получены экспериментально.

В первую очередь речь пойдет о реакциях, вызванных действием фокусированного ультразвука на ушной лабиринт человека и животных, если их рецепторный аппарат разрушен и не функционирует. Разнообразные формы патологии слуха представляют собой печальные модели частичной или полной утраты сенсорной слуховой функции в результате различной локализации повреждения, вызванного патологическим процессом. Среди разных заболеваний можно выделить те, при которых тугоухость обусловлена повреждением рецепторного аппарата — волосковых клеток внутреннего уха. Подобные виды патологических поражений волосковых клеток встречаются, в частности, при некоторых формах тугоухости в результате применения ототоксических антибиотиков.

В процессе исследований, проведенных совместно с Ленинградским институтом болезней уха, горла, носа и речи МЗ РСФСР, направленных на выяснение диагностических возможностей применения фокусированного ультразвука, было отмечено, что в ряде случаев слуховые ощущения появляются не только у больных, которые страдают поражением звукопроводящего аппарата среднего уха, но и у больных с повреждением рецепторного аппарата внутреннего уха. Значит ли это, что фокусированный ультразвук вызывает к жизни немногочисленные сохранившиеся рецепторы, или же слуховое ощущение определяется прямой активацией волокон слухового нерва? Этот вопрос стал предметом нашего специального экспериментального изучения на животных.

Представлялось необходимым вначале ответить на вопрос: если рецепторы разрушены или выведены из нормального режима работы, можно ли зарегистрировать реакцию слуховых центров животного на воздействие ультразвука, сфокусированного на поврежденную рецепторную часть слуховой системы? Ведь даже при разрушении рецепторов, а тем более нарушении нормальных условий их функционирования значительная часть нервных окончаний, иннервирующих рецепторы, остается неповрежденной, а следовательно, может быть объектом прямой активации. В качестве экспериментального животного, была выбрана лягушка — по тем же причинам, о которых говорилось в главе 3.

Рис. 22. Строение левого слухового лабиринта травяной лягушки (схема).

А — вид снизу, Б — с латеральной стороны. Стрелки — направление вперед; площади, заполненные точками, — места рецепторных образований, ап — амфибиальная папилла, бп — базилярная папилла, бк — базилярный канал, кк — клиновидная кость, л — лагена, с — саккулюс. Папиллы, саккулюс и лагена — рецепторные образования лабиринта.

Модель рецепторной патологии создавалась путем механического нарушения целостности гидродинамической системы лабиринта. Пространственная разобщенность различных структурных образований лабиринта лягушки (рис. 22) при общности их гидродинамической системы давала достаточно надежную гарантию того, что фокусировка ультразвука на одно из этих рецепторных образований даст возможность подвергать действию раздражителя именно это образование в зоне тонких дендритных терминалей (волокон), подходящих к рецепторным клеткам. В то же время нарушение целостности гидродинамической системы лабиринта выводило из нормального режима работы все рецепторные клетки. Из методических соображений: локализации, возможности точно сфокусировать ультразвук, доступности гистологического и визуального контроля разрушений, вызванных механическим вмешательством, и данных об участии в анализе звуков нами был выбран саккулюс.

В соответствии с собственными и литературными данными саккулюс имеет непосредственное отношение к восприятию звука, вибраций. Максимальная чувствительность слуха животного, оцениваемая на основании электрической реакции слухового центра среднего мозга на звуковые стимулы разной частоты, ограничена так называемой частотно-пороговой кривой (рис. 23). Из этого ограниченного диапазона были выбраны две частоты — 200 и 1200 Гц, характерные для функции саккулюса, к которым слух оказывается наиболее чувствительным, и в дальнейшем использовались для контроля величины и формы электрической реакции слухового центра.

Критерием оценки действия на саккулюс фокусированного ультразвука служила электрическая реакция того же центра. Ультразвук подавался в форме коротких, длительностью 1 мс, импульсов, а интенсивность его менялась в широких пределах — от порога возникновения реакции до 60 дБ над порогом. Путем сравнения реакций на звук и ультразвук при неповрежденном (интактном) лабиринте с реакциями, возникающими после его механического повреждения, устанавливались сходство и различие в действии этих двух типов раздражителей, а также возможность получения слуховых ответов на ультразвук при нарушении деятельности рецепторного аппарата.

Рис. 23. Частотно-пороговые кривые нейронов травяной лягушки из слуховых центров среднего мозга.

По оси абсцисс — частота звука, Гц, по оси ординат — интенсивность звука, дБ относительно уровня 2·10 Н/м^2. Римскими цифрами обозначены три группы нейронов. Арабские цифры соответствуют номерам представленных нейронов из всех обследованных.

Эксперименты на животных с неразрушенными, неповрежденными рецепторными образованиями позволили выявить особенности реакций слухового центра среднего мозга на звук и ультразвук и высказать предположения о месте действия фокусированного ультразвука. Оказалось, что характеристики центральных слуховых реакций идентичны только в диапазоне интенсивностей звука и ультразвука — до 18—30 дБ над порогом возникновения вызванных ответов структур среднего мозга. При увеличении интенсивности обоих стимулов отмечались изменения вызванных ответов на ультразвук. Последние имели значительно более крутой фронт начального электрического отклонения и более короткую длительность, чем при действии звуков той же надпороговой интенсивности. Изменялась, хотя и менее значительно, форма последующего, более медленного негативного колебания. При интенсивности сигналов порядка 35—40 дБ над порогом различия реакций становились очень заметными и приобретали свое окончательное выражение. Длительность ответа на ультразвуковой стимул еще более укорачивалась как по позитивному, так и по негативному электрическому колебанию, крутизна начального отклонения возрастала, а форма последующего негативного отклонения усложнялась. Оно становилось двойным, содержащим быстрое и следующее за ним более медленное колебания.

После достижения указанного уровня интенсивности ответ на ультразвук мало зависел от интенсивности раздражителя, хотя некоторое возрастание амплитуды при увеличении еще на 5—10 дБ могло быть зарегистрировано. После достижения уровня 40—50 дБ над порогом ответа на стимул фокусированного ультразвука дальнейшего увеличения реакции не отмечалось. Более того, при таких и больших величинах интенсивности ультразвука величина ответа на раздражитель начинала уменьшаться, причем иногда значительно — на 20—25%. В то же время реакции на звук в том же надпороговом диапазоне интенсивностей плавно увеличивались по величине, а форма ответа сохранялась до максимальных интенсивностей звука. Лишь в отдельных опытах при больших интенсивностях звука (более 60 дБ) реакция обнаруживала тенденцию к уменьшению.

Результаты опытов позволили предположить, что сходное действие звука и фокусированного ультразвука возможно лишь в ограниченном околопороговом диапазоне интенсивностей. Анализ физических факторов, действующих на ушной лабиринт при амплитудной модуляции ультразвука (а импульсы, вызывающие слуховое ощущение у человека и вызванную реакцию у животного, являются одной из форм амплитудной модуляции), показал, что при прохождении через среду существенную роль играет акустическое давление излучения (радиационное давление), переменная составляющая которого определяется частотой модуляции. Измерения величин демодулированного давления низкочастотных колебаний, определяемых огибающей (в нашем случае — импульса), показали их зависимость от интенсивности и звукового давления высокочастотных (мегагерцовых) колебаний. Результаты измерения в среде хорошо согласуются с теми зависимостями, которые характеризуют явление демодуляции амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний за счет давления излучения, а также с зависимостью слухового ощущения от глубины модуляции. Следовательно, механорецепторное преобразование при действии ультразвука по сути своей сходно с механорецепторным преобразованием звука, но минует систему звукопроведения наружного и среднего уха. В тоже время мы видим, что при выходе из околопороговой зоны интенсивностей картина центрального представления стимулов на периферии принципиально изменяется. Что-то новое прибавляется при уровне интенсивности порядка 15—20 дБ и начинает превалировать при 30—40 дБ над порогом центрального вызванного ответа.

После механического разрушения сред внутреннего уха действие фокусированного на ушной лабиринт ультразвука вызывает электрический ответ в слуховых центрах среднего мозга. Ответ возникает при значительно больших — на 35—40 дБ — интенсивностях, чем при действии тех же ультразвуковых импульсов на лабиринт с нормальными рецепторами, но все-таки он возникает. И есть еще запас интенсивностей, при которых ответ возрастает, — в наших конкретных экспериментальных условиях он составлял около 20 дБ. Звук максимальной в экспериментах интенсивности — 110 дБ над уровнем стандартного звукового давления 0.00002 Па — ответной реакции не вызывает. Значит, ультразвук раздражает те структуры, на которые звук не действует.

Какие же это структуры? На их роль могли претендовать или неразрушенные рецепторные клетки, или тонкие немиэлинизированные дендритные терминали слухового нерва, расположенные в зоне разрушенных (и неразрушенных) рецепторов. Против участия неразрушенных рецепторных клеток свидетельствовали те опыты, в которых звук максимальной интенсивности ответа не вызывал. Кроме того, если бы в генерации центрального ответа на ультразвук играли роль рецепторы, которых во всех опытах после механического вмешательства могло остаться немного, то амплитуда вызванного ответа была бы существенно меньше, чем в условиях нормального раздражения — при интактном лабиринте. Да и форма ответа должна была быть сходной с формой ответа на звуковое или ультразвуковое воздействие при неразрушенном лабиринте — по крайней мере в околопороговом диапазоне интенсивностей.

В наших опытах амплитуда суммарного электрического ответа не оказалась существенно меньшей при разрушенном лабиринте, чем при отсутствии повреждения. А вот форма и крутизна переднего фронта электрического отклонения резко отличались от тех же показателей вызванного потенциала, возникавшего как на звук, так и на ультразвук интенсивностью до 40 дБ в условиях неповрежденного лабиринта. Главное отличие состояло в том, что длительность реакции была значительно меньше, а крутизна нарастания больше, чем при раздражении теми же стимулами неразрушенного лабиринта. Обращало на себя внимание и то, что даже небольшое увеличение интенсивности — всего на 7—10 дБ над порогом реакции — приводило к резкому возрастанию амплитуды ответа. И наконец, скрытый период реакции был очень небольшим — в 1.5—3 раза меньшим, чем при стимуляции с неразрушенным рецепторным аппаратом.

Складывалось впечатление, что когда лабиринт поврежден, то фокусированный ультразвук «бьет по нерву». Об этом свидетельствовали и малый скрытый период, и короткая длительность ответа, и большая крутизна переднего фронта отклонения, и достижение максимума амплитуды реакции при небольшом увеличении интенсивности раздражителя. Именно так ведет себя нерв, если на один его конец прикладывается раздражение, а от другого конца ведется регистрация электрического потенциала. Значит, все-таки активируются тонкие волокна? Но раньше исследователи показали, что ультразвук не вызывает распространяющегося возбуждения в нервах или одиночных нервных волокнах, а лишь меняет функциональное состояние или функциональные свойства этих волокон. В работах, о которых идет речь, облучению ультразвуком подвергались либо весь ствол крупного нерва (например, седалищного), либо выделенные пучки волокон. Не останавливаясь на деталях методик, следует подчеркнуть два обстоятельства. Во-первых, во всех случаях речь идет о миэлинизированных волокнах, во-вторых, обычно использовался ультразвук достаточно большой длительности, при которой возникали, например, тепловые эффекты, а не импульсные режимы, при которых тепловые эффекты сводятся к минимуму.

В тех случаях, когда больные с пораженным рецепторным аппаратом внутреннего уха при действии фокусированного ультразвука испытывали слуховые ощущения, порог этих ощущений оказался на 30—40 дБ выше, чем порог слуховых ощущений человека с нормальным слухом. Это величины того же порядка, что и повышение порога, полученное в опытах на животных после повреждения гидродинамической системы внутреннего уха.

Уместно также вспомнить о разнообразных кожных ощущениях, возникающих в участках кожи, обильно снабженных свободными нервными окончаниями (см. главу 3). Различия в порогах реакций рецепторов ушного лабиринта и тактильных ощущений человека составляют также величины порядка 35—40 дБ. Эти данные делают более вероятным предположение о том, что фокусированным ультразвуком активируются тонкие немиэлинизированные волокна.

Дополнительные факты, свидетельствующие об активации фокусированным ультразвуком тонких волокон слухового нерва, были получены нами также в опытах на животных с применением специальных морфологических методов. В слуховой лабиринт лягушки вводился фермент пероксидаза, растительного происхождения. Это биологически активное вещество, которое транспортируется по нервным волокнам. В условиях активной работы нервных элементов транспорт усиливается. Схема наших экспериментов включала ряд возможностей.

Просмотрев различные варианты сочетаний, мы отметили, что наибольшее количество прокрашенных волокон и максимальная длина, на которую транспортировался фермент, регистрируются в тех опытах, в которых применялся фокусированный ультразвук при разрушенном лабиринте. В этом случае транспорт фермента достигал клеток ганглия VIII нерва. В контроле (без раздражения) прокрашивались волокна только в непосредственной близости к рецепторной зоне на расстоянии 100—150 мкм и количество прокрашенных волокон было наименьшим из всех возможных вариантов опытов.

Придя к выводу о том, что фокусированный ультразвук активирует волокна слухового нерва при определенной интенсивности раздражителя, мы столкнулись с двумя существенно важными вопросами. Во-первых: что происходит с рецепторами в диапазонах интенсивностей ультразвука, активирующих нерв; как рецепторные клетки реагируют на увеличение интенсивности фокусированного ультразвука? Это фактически вопрос безопасности воздействия раздражителя, особенно важный, когда рецепторы или часть их сохранена. Во-вторых: что происходит в центральных отделах слуховой системы при больших интенсивностях ультразвукового стимула; каково соотношение периферических и центральных процессов при оценке таких показателей, как суммарный ответ центрального отдела?

Для того чтобы ответить на вопрос о том, что происходит в рецепторах при увеличении интенсивности фокусированного ультразвука, рассмотрим две группы фактов, полученных разными методами — электронно-микроскопическим и гистохимическим. Было проведено специальное исследование, посвященное оценке электронно-микроскопических показателей функционального и деструктивного действия различных режимов облучения ультразвуком рецепторных клеток саккулюса лягушки. Показано, что пороговая интенсивность, вызывающая центральную электрическую реакцию в среднем мозге животного, более чем на порядок ниже, чем интенсивность ультразвука, приводящая к структурным изменениям в рецепторных клетках, причем структурные изменения носят функциональный характер — они обратимы. Деструктивные изменения уже явно патологического свойства наблюдаются лишь при интенсивности ультразвука почти на три порядка большей, чем его пороговые дозы. А это значит, что между пороговыми возбуждающими и пороговыми деструктивными интенсивностями фокусированного ультразвука есть интервал, в котором происходят лишь функциональные сдвиги в рецепторных клетках.

Обратим внимание на одну особенность. Речь идет о той интенсивности воздействия, которую можно считать безопасной по крайней мере при кратковременном действии фокусированного ультразвука, применяемого в импульсном режиме. Но каковы реальные функциональные изменения в рецепторных клетках при действии импульсов фокусированного ультразвука по сравнению со звуковым воздействием? Это тем более существенно, что речь идет о некоторой продолжительности воздействия. Материал, позволяющий провести сравнения, был получен благодаря применению метода оценки динамики накопления ядерной и цитоплазматической рибонуклеиновой кислоты в рецепторных клетках саккулюса лягушки. Были выбраны такие режимы воздействия звуком, которые известны как физиологические, не вызывающие патологических проявлений в центральных слуховых нейронах. Это импульсы звука частоты 1200 Гц длительностью 25 мс, максимальная интенсивность которых не превышает 90 дБ над порогом электрической реакции слухового центра среднего мозга. Длительность воздействия импульсов с частотой 25 в 1 с составляла от 0.5 до 1.5 ч. Воздействие таким раздражителем вызывает как в рецепторных, так и в центральных слуховых клетках изменения содержания рибонуклеиновых кислот, изменения, которые на основе различных критериев были определены как нормальные физиологические.

Нами были исследованы изменения содержания рибонуклеиновых кислот при использовании фокусированного ультразвука. Параметры ультразвуковых импульсов (длительностью 1 мс) подбирались таким образом, чтобы частота импульсов и продолжительность действия не превышали те же параметры, установленные для действия звука. Интенсивность серий ультразвуковых импульсов менялась в широких пределах — от околопороговой до величин порядка 80 дБ над порогом реакции, регистрируемой от слухового центра среднего мозга в ответ на раздражение рецепторов одиночным импульсом фокусированного ультразвука.

В результате качественного и количественного (цитофотометрического) анализа содержания рибуноклеиновых кислот в рецепторных клетках саккулюса были установлены параметры ультразвукового воздействия, вызывающие различные изменения рецепторных клеток по рассматриваемому показателю. Это в первую очередь последовательность и направленность фаз, отражающих динамику изменения содержания рибуноклеиновых кислот в рецепторных клетках. Это также те качественные изменения, которые позволяют выделить особенности действия такого стимула, как фокусированный ультразвук, в отличие от звукового раздражения. Фазы изменений и их динамика схематически представлены на рис. 24. Соответствие этих фаз отмечается в диапазоне интенсивностей импульсов фокусированного ультразвука до 55—60 дБ. В дальнейшем наблюдаются деструктивные изменения в рецепторных клетках. Уровни интенсивности фокусированного ультразвука, приводящие к нарушениям структуры рецепторных клеток, того же порядка, как и при электронно-микроскопическом исследовании.

Рис. 24. Зависимость содержания нуклеиновых кислот, объема ядер и суммарных электрических ответов слуховых ядер среднего мозга травяной лягушки от интенсивности ультразвука.

По оси абсцисс верхний ряд цифр — интенсивность ультразвука, Вт/см^2, нижний ряд — то же, дБ над порогом суммарных электрических ответов (сэо), по оси ординат внутренний ряд цифр — величина показателей нуклеиновых кислот и объема ядер, за единицу принята величина до воздействия фокусированным ультразвуком, наружный ряд цифр — величина сэо за единицу принята максимальная амплитуда позитивного компонента. 1 — нуклеиновые кислоты, 2 — объем ядер, 3 — суммарные электрические ответы. Частота ультразвука — 2.34 МГц, длительность импульсов — 1 мс, частота следования импульсов — 25 в 1 с, время действия — 30 мин.

Необходимо также отметить, что в третьей фазе — фазе активного расхода рибонуклеиновых кислот — имеются особенности в структуре рецепторных клеток по сравнению с рецепторными клетками, находящимися в той же фазе при действии звука. Здесь отмечаются преимущественно явления скорее «сморщивания», чем «набухания», как при действии звука Эти явления непостоянны, в некоторых опытах они не отмечаются, а интенсивности, приводящие к их проявлению, находятся в конце «функционального» диапазона — близко к 60 дБ. Именно поэтому мы рассматриваем интенсивности ультразвука, близкие к 60 дБ, как пограничные между функциональным, безопасным действием и начальным деструктивным влиянием фокусированного ультразвука.

В связи с вопросом о функциональном и деструктивном действии на рецепторы импульсов фокусированного ультразвука рассмотрим показатели электрической активности слуховых центров среднего мозга — суммарный электрический ответ на звук и ультразвук при изменении интенсивности этих раздражителей.

Как уже отмечалось, ответы на звук и фокусированный ультразвук, регистрируемые от среднемозгового центра, идентичны или очень схожи только в близком к порогу диапазоне интенсивностей — порядка 15 дБ над порогом реакции. Затем наблюдаются отличия между ответом на звук и ультразвук, выраженность которых возрастает по мере увеличения интенсивности, приобретая наиболее яркое выражение после достижения величин 30—40 дБ над порогом реакции. В дальнейшем различия сохраняются, величина ответа на ультразвук стабилизируется, а при интенсивностях, превышающих 50—60 дБ над порогом реакции, на импульсы фокусированного ультразвука величина ответа начинает уменьшаться, в некоторых случаях весьма значительно. Это дает основания рассматривать диапазон интенсивностей, в котором происходит уменьшение ответа, как диапазон функционально угнетающих интенсивностей. Почему функционально, а не структурно? Ведь этот диапазон соответствует тому, который при оценке содержания рибонуклеиновых кислот в рецепторных клетках является уже структурно идентифицированным как вызывающий деструктивные изменения.

О наличии в электрофизиологических опытах лишь функциональных эффектов, хотя и явно угнетающих, свидетельствует тот факт, что возвращение к малым интенсивностям ультразвука дает возможность зарегистрировать электрические реакции, идентичные тем, что и в начале раздражения, т. е. угнетение не оставляет необратимых следов. Вероятно, это обусловлено тем, что электрические ответы мы регистрируем, применяя одиночные импульсы фокусированного ультразвука, а накопление их составляет не более 10—12 при одной и той же интенсивности. Другими словами, электрофизиологическое проявление угнетающего действия фокусированного ультразвука предшествует структурным изменениям, для проявления которых необходимо значительно большее время воздействия. Достаточно вспомнить, что минимальное время, при котором в условиях действия на лабиринт серий импульсов с частотой 25 в 1 с регистрировались структурные изменения в рецепторных клетках, составляло не менее получаса. А это значит, что электрофизиологическая оценка функционального состояния рецепторов является весьма чувствительным показателем.

Результаты исследований позволили выявить диапазоны интенсивностей импульсного фокусированного ультразвука, вызывающие возбуждение рецепторов, активацию тонких немиэлизированных волокон и угнетение активности рецепторных и проводниковых структур слуховой системы. Величины интенсивности, осредненные по площади фокальной области и измеренные радиометрическим способом при частоте излучения 2.34 мГц, составляют: менее 1 Вт/см^2 для возбуждения рецепторов слухового лабиринта животных и человека, 80—120 Вт/см^2 для возбуждения нервных окончаний слухового нерва в условиях повреждения гидродинамической системы лабиринта или разрушения рецепторных клеток, около 400 Вт/см^2 для обратимого угнетения активности рецепторных клеток и более 600 Вт/см^2 для начальных деструктивных изменений в рецепторах.

Получив эти данные, мы поставили вопрос о том, можно ли в этих диапазонах вызвать усиление или угнетение активности центральных, а не рецепторных или проводниковых структур нервной системы. Была сделана попытка оценить влияние фокусированного ультразвука на сенсорные и двигательные образования мозга. Если иметь в виду влияние на сенсорные образования мозга, то наиболее приемлемой для оценки представляется электрическая реакция, регистрируемая либо от проекционной для данной сенсорной системы зоны, либо от периферического отдела сенсорной системы на адекватный раздражитель в условиях воздействия на те зоны мозга, которые осуществляют периферические влияния по типу обратной связи.

Известны работы, выполненные в Институте мозга АМН СССР, свидетельствующие о том, что облучение фокусированным ультразвуком латерального коленчатого тела головного мозга кошки (участка проекционной системы глаза, через который происходит передача зрительной информации в кору головного мозга) вызывает обратимое подавление электрических ответов зрительной коры на световое раздражение глаза. Восстановление зрительных функций животного, оцениваемое на основе электрических ответов корковой зоны, происходит лишь через десятки минут после окончания облучения. Разрушений в мозге не отмечалось. Следует подчеркнуть, что в этих работах эффектов активации не описывалось. Режимы воздействия, правда, отличались от использованных в наших экспериментах. Трудно сказать, в какой мере полученные данные определялись использованными режимами, а в какой мере отсутствие активации является характерным свойством тех зон зрительной системы, которые были подвергнуты действию фокусированного ультразвука.

В наших опытах воздействию ультразвуком подвергся слуховой центр среднего мозга лягушки, представляющий собой уровень 2—4-го синаптического переключения восходящей слуховой афферентации. Этот же центр имеет обратную связь со слуховыми рецепторами, посылая нисходящие к лабиринту волокна. Воздействуя фокусированным ультразвуком на это образование, мы надеялись получить изменения в периферической части слуховой системы, которые можно определить на основании оценки реакции рецепторов на звуковое раздражение до, в процессе и после облучения центральной части слуховой системы. Кроме того, мы хорошо знаем реакции этого центра на звуковое раздражение: ведь именно реакции на звук и ультразвук, сфокусированный на структуры ушного лабиринта, служили способом оценки возбуждения рецепторов, проводниковых систем, а также первым индикатором угнетающего действия ультразвука. Поэтому в ряде опытов мы регистрировали реакцию не только от периферической части слуховой системы — лабиринта, но и электрические ответы на звук до, в процессе и после воздействия ультразвука, сфокусированного прямо в подэлектродную область, т. е. в зону тех структур центра, от которых проводилось отведение электрических реакций на звуковое раздражение. Использовался весь диапазон интенсивностей фокусированного ультразвука — от величин менее 1 Вт/см^2 до 600 Вт/см^2.

От саккулюса, как наиболее доступной части слухового лабиринта, отводились микрофонные потенциалы, которые, согласно широко принятой точке зрения, являются показателем реакции рецепторных клеток на звук. Было обнаружено, что при направлении ультразвука на структуры среднего мозга никаких изменений микрофонных потенциалов саккулюса не отмечается вплоть до интенсивностей порядка 240 Вт/см^2. В этом же диапазоне интенсивностей не меняются электрические реакции слухового центра среднего мозга на звуковое раздражение, в условиях их регистрации непосредственно вблизи фокальной области. При увеличении интенсивности нами были зарегистрированы только эффекты угнетения как по показателям микрофонных потенциалов, амплитуда которых уменьшалась почти на 50%, так и по показателям суммарных электрических ответов среднего мозга на звук, амплитуда которых также резко падала по сравнению с контролем — в условиях отсутствия ультразвукового облучения. Структурных изменений в мозге при действии импульсного ультразвука, по крайней мере до интенсивностей 480 Вт/см^2, обнаружено не было.

Значит ли это, что при действии на центральные мозговые структуры ультразвук вызывает лишь угнетение, подобное тому, которое обнаружено на зрительной системе? Или примененные режимы действия не вызывают активации? Или активация осуществляется только в зоне тонких немиэлизированных волокон, которые сосредоточены в зонах дендритных окончаний, не распространяющихся на большие расстояния? Для ответа на эти вопросы требуются дальнейшие исследования, причем на модельных объектах, более простых для анализа.

Известно, что в центральных нервных структурах беспозвоночных, например моллюсков, миэлиновых оболочек нет, а миэлиноподобных оболочек значительно меньше, чем в центральной нервной системе позвоночных животных. Именно поэтому моллюски были выбраны нами для выяснения действия фокусированного ультразвука на клетки центральной нервной системы. Фокусированным ультразвуком облучали клетки подглоточного ганглия виноградной улитки. Его параметры — частота 2.34 мГц, длительность импульса 1 мс — были те же, что и в опытах на позвоночных животных, а интенсивность в центре фокальной области достигала 900 Вт/см^2. И при действии таких сильных стимулов активность клеток была зарегистрирована! Значит активация возможна, но только для определенных структур и в условиях больших интенсивностей. Сравнение интенсивностей, вызывающих активацию статоциста того же животного — органа, построенного по типичному механорецепторному типу, показало их резкие различия. Если активация статоциста обнаруживалась при интенсивностях в интервале 80—240 Вт/см^2 в центре фокальной области, то для активации клеток подглоточного ганглия нужны были величины интенсивностей почти на порядок больше.

Дальнейшие исследования, по-видимому, могут быть направлены по нескольким путям: поиск центральных структур, не имеющих выраженных миелиновых оболочек (например, вегетативной нервной системы), выявление действующих факторов раздражителя на мембраны клеток и окружающие структуры (возможность опосредованного преобразования механической энергии), а также воздействие более короткими стимулами — менее 1 мс с большими интенсивностями. Несомненно, необходимо также детально изучить изменения активности центральной нервной системы при использовании малых интенсивностей (менее 1 Вт/см^2) ультразвука, поскольку именно малые дозы могут быть адекватны клеточным эффектам, измеряемым очень малыми величинами электрических потенциалов.

Одной из возможностей оценки эффектов воздействия фокусированного ультразвука на мозговые центры является выявление двигательных эффектов, обусловленных деятельностью определенных двигательных ядер головного мозга. Мы пошли по пути воздействия фокусированным ультразвуком на ядра глазодвигательного нерва, иннервирующего мускулатуру глазных яблок, а также на ядра устья покрышки и центральное серое вещество среднего мозга, представляющие собой центр координации моторной активности звукопродуцирующего аппарата животных, а именно возникновения и временной организации голосовых реакций.

Оказалось, что одиночные импульсы ультразвука, сфокусированные в ядра глазодвигательного нерва, вызывают движения глазного яблока на стороне облучения. Интенсивность, вызывающая эти движения, составляла величины 320—380 Вт/см^2. Однако диапазон интенсивностей, вызывающих реакцию с отсутствием эффекта последействия в виде паралича глазных мышц, очень ограничен. Уже при интенсивностях 380—420 Вт/см^2 отмечаются изменения в конфигурации глазного яблока. Каждое последующее раздражение увеличивало асимметрию глаз, а импульсы фокусированного ультразвука переставали вызывать движение. Гистологических изменений в ткани мозга не отмечалось при интенсивностях до 380 Вт/смг, а при 420 Вт/см^2 в ядре глазодвигательного нерва отмечались начальные очаговые морфологические изменения. Такой малый диапазон интенсивностей, вызывающий ответную двигательную реакцию, а также «кумулятивный» эффект при пограничных интенсивностях дали, скорее, материал к размышлениям об оценке повреждающего действия фокусированного ультразвука, нежели способствовали исследованию его активирующего действия.

При поисках способа оценки действия фокусированного ультразвука на центры мозга, управляющие врожденными формами координированной двигательной активности, мы обратились к голосовой реакции, обозначаемой в специальной литературе «сигналами освобождения». Эти биоакустические сигналы, представляющие собой ритмичное кваканье самца лягушки, вызываются прикосновением к боковым стенкам его туловища. Они представляют собой ритмические серии щелчков, повторяющиеся с определенными интервалами между этими сериями. Структура серии всегда постоянна для каждого животного, а интервал между ними зависит от разных факторов, например от температуры окружающей среды, частоты прикосновения к боковым стенкам туловища. Эти реакции, вернее их осциллографическое выражение, свидетельствуют о постоянстве временной и спектральной картины у разных особей. Специальные исследования показали, что подобная форма специфической вокализации лягушек управляется деятельностью центров, расположенных в среднем мозге, в области центрального серого вещества. Электрическое раздражение этой зоны вызывает голосовую реакцию, причем ее «узор» такой же, как и в случаях нормальной звукогенерации в естественных условиях. Разрушение этой зоны приводит к противоположному явлению — полной немоте. Мы исходили из предположения, что действие фокусированного ультразвука на такую структуру должно сопровождаться изменением осциллографической картины звуков, генерируемых животным. Направление изменений в зависимости от параметров ультразвука позволит выявить активирующие и (или) угнетающие проявления воздействия фокусированного ультразвука.

При действии на центральное серое вещество одиночных импульсов фокусированного ультразвука в диапазоне интенсивностей до 280 Вт/см^2 никаких изменений в ответной голосовой реакции лягушки не наблюдалось. Действие импульсов интенсивностью от 280 до 480 Вт/см^2 вызывало незначительное сокращение интервалов между отдельными звуками, которое отмечалось только в течение непродолжительного времени после окончания облучения импульсами ультразвука — не более 10 мин. Если использовались серии ультразвуковых импульсов частотой до 20 Гц, то в диапазоне интенсивностей более 320 Вт/см^2 отмечалось урежение частоты голосовых реакций при общей продолжительности облучения до 10 с. Временной узор голосовых реакций нарушался, когда частота ультразвуковых импульсов составляла 80—100 Гц. Изменения временной структуры ответа были тем более выраженными и продолжительными, чем длиннее было облучение. На приводимом нами рис. 25 показаны изменения структуры голосовой реакции — «сигнала освобождения» при облучении импульсным ультразвуком. Через некоторое время голосовая реакция восстанавливается, а в ткани мозга, в зоне ультразвукового облучения, никаких деструктивных проявлений не обнаруживается.

Рис. 25. «Сигнал освобождения» травяной лягушки после действия на центральное серое вещество мозга фокусированным ультразвуком.

Частота ультразвука 2.34 МГц, импульсы длительностью 1 мс с частотой их следования 300 в 1 с, длительность воздействия — 22 с. Интенсивность ультразвука, осредненная по площади фокальной области, — 470 Вт/см^2. 1 — «сигнал» до воздействия, 2 — через час, 3 — через два часа, 4 — через три часа, 5 — через пять часов после действия ультразвука.

Таким образом, на основе полученного материала можно сделать заключение, что действие импульсного фокусированного ультразвука на мозг животного выражается преимущественно в явлениях функционального угнетения или временного выключения деятельности облученных областей мозга. Структурных изменений, по крайней мере в использованных нами диапазонах интенсивности, в облученных мозговых структурах не обнаруживается.

Значительно в меньшей степени обнадеживают результаты, полученные при выяснении активирующего действия ультразвука на центры мозга. Эти эффекты наблюдаются в очень узком диапазоне близких к разрушающим ткани мозга интенсивностей. Можно сказать, что активация характерна для рецепторно-нервных структур и тонких немиэлизированных проводниковых структур мозга. Несомненно, дальнейшее изучение обратимых изменений функции нервной ткани необходимо для решения вопросов о механизме действия фокусированного ультразвука и перспективе его использования для направленного воздействия на управляющие структуры мозга.

Разрушение глубоких структур мозга

Работы по применению фокусированного ультразвука для создания в глубинных структурах головного мозга разрушений заданного размера были начаты еще в начале 50-х годов в США и до настоящего времени привлекают внимание биологов, а также специалистов в области нейрофизиологии и нейрохирургии.

Создание ограниченных очагов деструкции в строго определенных зонах мозга является одним из методов изучения роли различных отделов в осуществлении связанных с их деятельностью функций. Кроме того, метод локального разрушения широко принят при исследовании структурных, нейроанатомических связей различных отделов мозга. Обычно применяемые методы разрушения включают арсенал различных повреждающих агентов: механическое разрушение или удаление участков нервной ткани, термокоагуляция, электролитическое повреждение, химические и электрохимические воздействия. Все перечисленные выше методы как непременный компонент включают травму окружающих тканей, в особенности, если речь идет не о поверхностно расположенных, а о глубинных структурах мозга, доступ к которым осуществляется обычно через ряд образований мозга.

Именно поэтому с самого начала исследований с использованием фокусированного ультразвука возможность его применения без травмы окружающих участков представлялась весьма заманчивой. Действительно, максимальная концентрация энергии в центре фокальной области сопровождается почти полным спадом ее по краям этой области. Следовательно, если выяснить минимальные повреждающие дозы облучения, можно предсказать, какие эффекты можно ожидать при больших дозах, вызывающих повреждения большего объема в пределах фокальной зоны, т. е. связать интенсивность облучения с величиной и конфигурацией разрушенного участка ткани.

Когда имеются в виду глубокие структуры организма, не отделенные от внешней среды костной тканью, то проблема воздействия фокусированным ультразвуком на такие структуры решается относительно просто. В условиях использования координатных систем точно вычисляются области и объем облученных участков ткани. Опыт такого рода оказался весьма успешным при ультразвуковом разрушении злокачественных опухолей, при облучении опухолей совместно с рентгенотерапией — с целью повышения противоопухолевой активности ионизирующих излучений и химиотерапевтических препаратов.

При рассмотрении возможностей разрушения глубоких структур мозга в первую очередь возникают проблемы различного акустического сопротивления костей черепа и тканей мозга (белое и серое вещество). Основная опасность состоит в том, что расчетные дозы облучения, равно как и само место облучения могут не соответствовать реально необходимым, поскольку высокое поглощение и расфокусировка ультразвука при прохождении через кость искажают расчеты. Именно поэтому до последнего времени принято было считать, что необходимым условием проведения ультразвуковых нейрохирургических операций является создание в черепе обширных трепанационных отверстий.

Однако специальные исследования последних лет показали, что облучение через неповрежденные кости черепа принципиально возможно без существенного искажения ультразвукового поля при соблюдении ряда условий. Одним из основных условий является облучение через участки кости, характеризующиеся равномерной толщиной и постоянным радиусом кривизны. Центр кривизны кости, через которую проводится облучение, должен совпадать с осью симметрии излучателя. Наилучшие условия создаются, если к этому добавляется расположение цели облучения в центре кривизны облучаемого участка. В одном из опытов при прохождении ультразвукового пучка в акустически прозрачной среде — воде — и через кость черепа смещения фокальной области от расчетного положения составляли величины, не превышавшие 1—1.5 мм, что вполне допустимо при нейрохирургических вмешательствах. Измерения коэффициента поглощения ультразвука в костях черепа человека при условиях, исключающих попадание воздуха в губчатый слой кости, показали величины порядка 8—10 дБ/см при частоте ультразвука 1 МГц.

В опытах на животных, когда соблюдались все условия неискаженного прохождения ультразвука, были получены локальные разрушения глубоких структур мозга, совпадающие по объему с расчетными, без изменений в тканях по ходу прохождения ультразвукового пучка. Из всего сказанного ясно, что оценить приемлемость метода ультразвуковой хирургии мозга можно лишь на основе дальнейших экспериментально-физиологических, нейроморфологических и функциональных исследований.

На сегодняшний день можно с уверенностью сказать, что исследование глубоких структур мозга с применением фокусированного ультразвука приводит к достоверным и воспроизводимым результатам лишь в том случае, если на пути фокусированного ультразвукового пучка удалена кость. Именно в таких условиях были определены значения порогов ультразвуковых доз, создающих начальные гистологически наблюдаемые изменения в центре фокальной области. Установлено, что при равных ультразвуковых дозах размеры разрушений в сером веществе головного мозга значительно меньше, чем в белом. Это определяется неодинаковой чувствительностью серого и белого веществ к воздействию ультразвуком: для серого вещества эти дозы вдвое больше, чем для белого. Различия обусловливаются, вероятно, неодинаковыми теплофизическими свойствами этих тканей. Коэффициент поглощения ультразвука в белом веществе головного мозга, например, в 1.5 раза больше, чем в сером. А это значит, что степень нагревания белого вещества и соответственно вероятность его разрушения под воздействием теплового фактора здесь существенно выше.

Согласно распространенной точке зрения, разрушающее воздействие фокусированного ультразвука определяется рядом факторов: его тепловым, механическим и физико-химическим действием, в ряде случаев, по-видимому, смешанным воздействием нескольких этих факторов, а также зависит от режима воздействия — интенсивности, длительности, частоты повторения и т. д. Выявление конкретных причин разрушающего действия фокусированного ультразвука имеет существенное значение и определенный практический интерес.

Для чисто теплового действия характерно, что разрушения соответствуют по форме и равны или меньше фокальной области. Они также должны хорошо воспроизводиться в тех структурах мозга, теплофизические свойства которых близки между собой. Механическое кавитационное действие фокусированного ультразвука, требующее значительно больших интенсивностей, вызывает разрывы в «слабых точках», распределение которых в облучаемых структурах мозга неизвестно и в определенной мере непредсказуемо даже на основании оценки структуры области. Такие механические разрушения не соответствуют форме и величине фокальной области.

Смешанное действие — тепловое и механическое, лежащее в некоторой промежуточной для этих крайних режимов области интенсивностей, — характеризуется различными особенностями структурных изменений, которые зависят от сочетания теплофизических и механических свойств тканей облучаемой области. Физико-химические явления всегда имеют место при действии фокусированного ультразвука. В настоящее время нет оснований для каких-либо заключений о физико-химических процессах, индуцируемых действием ультразвука на ткани мозга. Известно, что химические факторы, связанные с разрывом молекулярных связей, проявляются лишь при наличии в среде кавитации. Акустические микропотоки, сопровождающие распространение ультразвука, также дезорганизуют структуру клеток и представляют собой, таким образом, потенциальный фактор функционального воздействия или деструктивных изменений.

Мы обратили внимание на следующий интересный феномен: повреждающие дозы фокусированного ультразвука при оценке разрушений мозговой ткани лягушки существенно меньше при импульсном режиме облучения, чем при действии непрерывных режимов. И чем короче импульсы, тем большие дозы ультразвуковой энергии не оказывают повреждающего воздействия на ткани мозга. В опытах на лягушках нами установлены повреждающие дозы фокусированного ультразвука при использовании непрерывного ультразвукового облучения различной длительности и величины энергии импульсного ультразвука, вызывающие минимальные морфологические изменения в тканях мозга лягушки (рис. 26). Импульсный ультразвук (длительность импульсов 1 мс) даже при значительной продолжительности воздействия и высоких дозах энергии вызывает только функциональные изменения, как правило, полностью компенсируемые через различные промежутки времени. Анализ срезов мозга животных, у которых наблюдались функциональные изменения поведения, проведенный через различные сроки после облучения (от 24 до 76 ч), не выявил каких-либо морфологических изменений облученных структур мозга. В то же время значительно меньшие дозы облучения в непрерывном режиме приводили не только к изменению функции облученных структур, не компенсируемому со временем, но и к четко определяемым разрушениям структур мозга в зоне облучения.

Рис. 26. Зависимость морфологических изменений тканей головного мозга травяной лягушки от интенсивности и длительности воздействия фокусированным ультразвуком.

По оси абсцисс — время воздействия, с, по оси ординат — интенсивность ультразвука в фокальной области (осреднена по площади фокальной области), Вт/см^2. Светлые кружки — отсутствие видимых морфологических изменений при световой микроскопии, черные — локальные изменения в центре фокальной области, черные треугольники — очаги изменений без четких границ с расширением сосудов и кровоизлияниями, светлые — обширные диффузные изменения с кровоизлияниями и разрывами тканей. Частота фокусированного ультразвука 2.34 МГц.

Эти данные позволяют заключить, что функциональные показатели оказались значительно лучшим индикатором изменения деятельности облученных структур мозга, чем морфологические. Они дали также возможность выявить корреляции между глубиной повреждения и степенью изменения функции и, кроме того, поставить задачу выявить те особенности действия на мозг фокусированного ультразвука, которые характерны для очень малых длительностей импульсов — составляющих десятые и сотые доли миллисекунд.

Здесь представляется уместным привести некоторые аналогии, связанные с возникновением боли при разных длительностях воздействия фокусированным ультразвуком на кожу руки человека. Достаточно обоснованная экспериментальными фактами точка зрения о том, что при возникновении кавитации в тканях наступает их разрушение, привела нас к сопоставлению интенсивностей ультразвука, вызывающих кавитацию в мягких тканях пальцев и ладони, с теми интенсивностями, которые приводят к возникновению боли. Применялась акустическая аппаратура, позволяющая регистрировать субгармонические составляющие акустического шума, появляющегося в среде при развитии в ней ультразвуковой кавитации. Исходя из данных о кавитации в водных растворах, за порог возникновения кавитации условно принимали интенсивность фокусированного ультразвука, вызывающую появление импульса, величина которого на 40 дБ превышала уровень шумов специальной аппаратуры.

Оказалось, что связи между появлением кавитации и порогом ощущения боли не существует. Наиболее интересным фактом является то, что при коротких импульсах ультразвука (1 мс) болевые ощущения не возникали во всем диапазоне возможных в наших условиях интенсивностей, хотя кавитация в среде была отчетливой. Следовательно, точка зрения о том, что болевые ощущения связаны прямой и даже количественной зависимостью с величиной разрушающих воздействий, оказывается неприемлемой. Более того, необходимо иметь в виду, что укорочение длительности импульсов является перспективным путем изучения влияний фокусированного ультразвука на функции центральных мозговых структур в силу уменьшения разрушающего воздействия, связанного как с тепловым, так и с кавитационным процессами. Последние резко уменьшаются при сокращении длительности импульса.

Можно надеяться, что именно очень короткие импульсы микросекундного диапазона дадут возможность получить сведения о режимах, при которых возможно осуществлять направленное воздействие на определенные структуры мозга без структурных повреждений облученных участков. Основанием для этого служат данные, полученные при изучении различных видов чувствительности (глава 3), а также результаты изучения функциональных эффектов, возникающих при воздействии на мозг импульсным фокусированным ультразвуком, не вызывающим структурных изменений в облученных зонах.

Функциональное действие ультразвука — медицине

Применение в клинике фокусированного ультразвука сдерживается отсутствием серийных генераторов с фокусирующими ультразвук излучателями. В настоящее время их разработкой занимаются сотрудники Акустического института им. акад. Н. Н. Андреева АН СССР и некоторых других учреждений.

Известно, что целый ряд неврологических заболеваний характеризуется изменением чувствительности к действию адекватных стимулов. Мы привыкли ассоциировать невропатолога с неврологическим молоточком, иголкой и кисточкой. Два последних нехитрых инструмента позволяют выявить нарушения чувствительности и оценить их диагностическую значимость и роль в развитии заболевания. Нанося легкие уколы иглой или проводя кисточкой по коже, врач спрашивает, чувствует ли больной соответственно боль или прикосновение. Отсутствие или изменение чувствительности — первый признак неврологических нарушений. Врач просит больного сравнить ощущения при воздействии в соседних участках или на симметричных участках туловища и конечностей. При значительных нарушениях чувствительности такие приемы помогают. Больной отмечает, например, что с одной стороны он чувствует уколы острее, чем с другой. Врач должен решить, снижена или, напротив, повышена чувствительность. Иногда это не так-то просто, ведь единственный критерий — различие ощущений — может зависеть от разных причин, например от неодинаковости силы уколов, произведенных в разных участках. Значение такого обследования резко возрастает, если его дополнить количественным описанием ощущений. Такие попытки принимались неоднократно.

Изобретено множество приспособлений для количественного определения порогов боли, тактильных, температурных ощущений. Предложены, в частности, методики измерения болевых порогов с учетом силы давления на иглу, площади воздействия (острота кончика иглы и т. д.). Широкого распространения подобные способы не получили. Оказалось, что колебания показателей чувствительности весьма значительны даже у здоровых людей, возникали трудности с измерением времени воздействия и времени ощущения, сложным оказалось оценить глубину проникновения иглы и т. д. Способы измерения болевых ощущений сопряжены с нанесением человеку травм, хотя и незначительных.

Не меньшие затруднения вызывали измерения тактильной и температурной рецепции. Для количественного измерения тактильных порогов М. Фрей предложил использовать специально обработанные волоски разной толщины. Номером волоска, который до прогиба вызывал ощущение прикосновения, и выражался тактильный порог. При этом не учитывалось время соприкосновения волоска с кожей, направление давления, наконец, изменение эластичности волосков при их хранении. В клинической практике волоски Фрея не привились. Врачи предпочитают качественный способ — при помощи кисточки.

Количественная оценка температурной чувствительности вообще не разработана. В лучшем случае врачи пользуются пробирками с горячей и холодной водой. Были попытки использовать температурные раздражители — термоды, в которых исследователь мог регулировать температуру воздействия. Однако при клинической оценке таких способов у них выявляется значительно больше недостатков, чем при оценках тактильной и болевой чувствительности.

С позиций результатов изучения температурной рецепции с помощью фокусированного ультразвука совершенно отчетливо выступила важность интенсивности кровоснабжения области для величины порогов ощущений температуры, а также выявлена роль изменений температуры окружающей среды. До последнего времени не удавалось провести измерения температурной чувствительности таким образом, чтобы во время их под влиянием температурного стимула не происходили изменения кровоснабжения, существенно влияющие на величину порога.

При определении порогов ощущений с помощью фокусированного ультразвука появление ощущений зависит от режима воздействия, включающего различные параметры: интенсивность стимула, его продолжительность, размер области, подвергнутой воздействию, и т. д. Для измерения пороговых температурных и болевых ощущений особенно важно, что ультразвуковое воздействие осуществляется в такой короткий промежуток времени, что не успевает проявиться действие регулирующих механизмов, меняющее величину порога. Необходимо подчеркнуть, что болевой порог в наших исследованиях, как правило, измеряли в каждой точке один раз. Такой метод однократных измерений обусловлен тем, что при повторном воздействии в ту же точку порог менялся, чаще повышался. После первого воздействия, по-видимому, включались регулирующие механизмы.

Если два стимула предъявляли непосредственно один за другим, ощущение боли усиливалось, поскольку механизмы снижения чувствительности не успевали срабатывать.

Фокусированный ультразвук позволил реально ввести в неврологическое исследование ощущений количественный критерий. При действии одиночных стимулов — это возможность оценки величины, времени, места воздействия и объема ткани, подвергнутой стимуляции.

Для тактильных и болевых ощущений как будто ясно. А для температурных? Выше уже указывалось на необходимость учитывать такие, например, факторы, как кровоснабжение в области измерения или зависимость порогов от температуры окружающей среды. В наших исследованиях влияние этих факторов стабилизировалось, когда испытуемый погружал руку в ванну с водой определенной температуры и достигал состояния температурной адаптации. Несомненно, что подобная методика в условиях клиники существенно усложняет обследование. Не каждый больной может опустить руку в воду; а если потребуется определить пороги в точках на спине или животе — не обойтись без ванны. Все это не очень-то удобно. Однако ультразвук дает еще одну возможность — вообще отказаться от погружения в воду. При этом иногда невозможно знать заранее, какое температурное ощущение испытывает больной — тепла или холода, но характер ощущения не влияет существенно на величину порога, выраженную в микронах смещения среды в фокальной области излучателя. Вместе с тем появляется дополнительная информация: если в условиях комнатной температуры воздуха и при нормальной температуре тела появляется ощущение холода — это свидетельство малого или ухудшившегося кровоснабжения, тепла — свидетельство его увеличения или обильности. Не исключено, что в процессе дальнейших исследований могут быть разработаны и количественные оценки кровоснабжения. Все изложенное — непосредственные выводы из гипотезы температурной рецепции. Они нуждаются в дальнейшей физиологической и патофизиологической разработке, в клинической проверке.

Пока температурную рецепцию в клинических условиях с помощью ультразвука не оценивали. Немного данных и относительно болевой рецепции. Клиническое применение на сегодняшний день нашло измерение тактильной чувствительности. С помощью фокусированного ультразвука определялись пороги на коже пальцев рук у здоровых людей и больных с разными неврологическими заболеваниями: сирингомиелией, спондилогенным шейным радикулитом, ишемической цервикальной миелотией, остаточными явлениями мозгового кровоизлияния и некоторыми другими. У всех групп больных выявлено повышение тактильных порогов по сравнению с нормой, иногда вплоть до полного выпадения чувствительности. У части больных с повышенными тактильными порогами болевые пороги оказались сниженными по сравнению с нормой. Этот факт дает основание считать перспективным использование ультразвука в неврологии не только для сравнения ощущений в норме и патологии, но и для количественного соотношения порогов ощущений разной модальности. Только ультразвук и отчасти электрический ток дают возможность единицами одной размерности характеризовать пороги различных ощущений.

Фокусированный ультразвук в отоларингологии начали применять в первую очередь в отологии. Известно, что исследование слуха с помощью измерения порогов составляет основу отологической диагностики и даже выделяется в особый раздел — аудиологию. Для слуховых ощущений, вызываемых фокусированным ультразвуком, также можно определить пороги. Последние у нормально слышащих людей отличаются от порогов больных с различными нарушениями слуховой функции. Это один из путей использования фокусированного ультразвука в диагностике заболеваний слуховой системы. Другой путь — сравнение порогов каждого обследуемого на звук и ультразвук. В главах 3 и 4 были представлены данные о том, что фокусированный ультразвук может действовать не только на рецепторы, но и на проводящие нервные структуры уха. Место приложения отражается на пороговых величинах. В зависимости от характера заболевания можно ожидать различий в закономерностях восприятия звука и ультразвука. Ультразвук модулировали по амплитуде чистыми тонами, теми, которые применяются в аудиологии, — от 125 до 8000 Гц. При использовании импульсов ультразвука частоту их следования меняли также от 125 до 8000 Гц.

В величинах одинаковой размерности нет возможности сравнивать пороговые кривые нормально слышащих для звука и ультразвука. Однако у людей с нормальным слухом доступно сравнение в относительных величинах, например в децибелах от минимального порога слышимости, рассчитываемых как 20 lg In / I_0, где In — величина порога для звука данной частоты или для фокусированного ультразвука с той же частотой модуляции, I_0 — порог для звука 1000 Гц или для ультразвука частотой модуляции 1000 Гц. Для частоты звука или модуляции ультразвука 500—2000 Гц аудиограмма и ультразвуковая кривая совпадают. На частотах меньше 500 Гц пороги на звук выше, чем на ультразвук, а на более высоких, чем 2000 Гц, частотах — ниже. Подобное сравнение, как удалось показать, усложняет диагностическое сопоставление кривых. Поэтому для их сравнения оценивается изменение порогов слухового ощущения пациента относительно порогов нормально слышащих, которые принимаются за уровень отсчета.

Тот же принцип был использован для построения ультразвуковой частотно-пороговой кривой. Первоначально были измерены пороги в группе нормально слышащих и взяты их средние значения. Относительно этих значений по указанной выше формуле рассчитывали пороги для каждой частоты модуляции или частоты следования стимулов. Таким способом можно было сравнивать по одной и той же шкале пороги на звук и ультразвук.

В Ленинградском научно-исследовательском институте болезней уха, горла и речи были обследованы больные с различными заболеваниями. Оказалось, что с помощью ультразвука можно диагносцировать многие заболевания, а в неясных случаях — уточнить диагноз. Например, при таком заболевании, как чистая форма кохлеоневральной тугоухости, аудиограммы и кривые слуховых порогов при воздействии ультразвуком иногда полностью совпадают или имеют одинаковую конфигурацию.

При заболевании отосклерозом исследователь видит другую картину. Ультразвуковая пороговая кривая отличается по форме и величине порогов от аудиограммы как по воздушной, так и по костной проводимости. Характерным для отосклероза, как уже указывалось, является отсутствие слуха на ультразвук («провал») при некоторых частотах его амплитудной модуляции. Интересно, что это отсутствие не зависит от величины потери слуха на чистый тон соответствующих частот (см. рис. 21). Причины подобных провалов пока не вполне ясны, однако сами провалы служат надежным, как говорят, патогномоничным признаком отосклероза. Ультразуковой способ диагностики отосклероза отмечен авторским свидетельством.

Обнадеживают исследования о возможности ранней диагностики опухолей 8-го нерва и болезни Меньера, дифференциальной диагностики различных заболеваний периферического отдела слуховой системы.

Возможность вызвать ультразвуком слуховые ощущения у людей с разрушенным рецепторным аппаратом в результате активации слуховых волокон, которые сохранили функциональные свойства, создает принципиально новую основу для попыток ультразвукового слухопротезирования таких больных. На эту возможность мы уже указывали в главе 3 в разделе «Слух». Однако на пути ее реализации возникают существенные вопросы, а именно: о пороговых интенсивностях, ультразвуковом режиме, наиболее пригодном для протезирования, безопасности при длительном использовании прибора, наконец, создание самих приборов.

Использование ультразвука для слухопротезирования не исчерпывается изложенным. Если с его помощью можно судить о функциональном состоянии волокон слухового нерва, следовательно, можно отобрать глухих людей с: сохранившимися волокнами для электроимплантационного протезирования. За последние десятилетия оно успешно развивается в ряде стран. Сделаны попытки такого протезирования и у нас в СССР. Суть способа заключается в том, что в улитку, утратившую функцию, или в слуховой нерв вводится один или несколько электродов. Через них сохранившиеся функциональные элементы активируются электрическим током. Ультразвук должен помочь отбору людей, которым может быть рекомендовано электроимплантационное протезирование. Прямое подтверждение точности рекомендации, конечно, может быть получено только после протезирования отобранных больных. Предпосылками для успешности отбора служат слуховые ощущения в ответ на ультразвуковую стимуляцию, а также объективные данные — при сравнении так называемых ранних стволомозговых потенциалов в ответ на стимулы звука и ультразвука. При сравнении потенциалов, зарегистрированных у здоровых людей на импульсы длительностью около 2 мс звука и ультразвука, выявлена разница в картине потенциалов и латентном времени их появления.

Клинические электрофизиологические исследования с применением ультразвуковой стимуляции весьма актуальны в педиатрии, особенно в тех случаях, когда из-за возраста ребенка или наличия патологического процесса невозможна психофизическая методика определения порогов. Для диагностики заболевания и уровня поражения у детей особенно важно сравнить потенциалы в ответ на звуковую и ультразвуковую стимуляцию.

Как уже подчеркивалось ранее, фокусированный ультразвук нашел разностороннее применение в офтальмологии, например для ускорения созревания катаракты, для лечения такого грозного заболевания, как отслойка сетчатки. Однако здесь используются разрушающие режимы. Относительно возможной активации элементов сетчатки или волокон зрительного нерва ясности пока нет. Уже отмечалось, что работы, выполненные у нас в стране и за рубежом, пока не привели к положительному результату. Вопрос еще не решен.

В свое время совместно с хирургами были начаты работы, имеющие существенное практическое значение. Представим себе нередкую в клинике ситуацию. У человека произошел перелом кости. Оказана помощь, отломки костей сопоставлены, но как установить, когда наступит заживление? От правильного ответа зависят не только сроки пребывания на больничной койке. Иногда при слишком ранней нагрузке возникает вторичный перелом в том же месте, а при слишком поздней — выраженная атрофия мышц. Сейчас сроки заживления определяются преимущественно на основании клинического опыта и контрольных рентгеновских снимков. По этим данным сроки весьма колеблются, а так называемая костная мозоль на рентгенограмме не всегда точно свидетельствует о заживании. Здесь, вероятно, сможет оказаться полезным ультразвук. После перелома надкостничные болевые пороги повышаются. В процессе заживления перелома надкостница также восстанавливается, регенерирует. Болевые пороги ее должны снижаться. Есть основания предполагать, что по восстановлению или по динамике снижения порогов можно будет судить о полноценности регенерации.

К настоящему времени с помощью фокусированного ультразвука получены данные о существовании различных видов боли: кожной, мышечной, надкостничной, суставной. Клинические наблюдения позволяют выделить и другие виды: зубная боль при пульпите, при парадонтите, плевральная боль, брюшинная и т. д. Для боли, изученной с помощью фокусированного ультразвука, удалось получить специфические характеристики: разные виды отличались друг от друга по величине порога в сравнении с кожной болью, по степени неприятности, по площади иррадиации, по величине скрытого периода и последействия. Если указанные или иные характеристики окажутся приемлемыми и для других видов боли, появится целый ряд новых возможностей диагностики самых различных заболеваний по измерению ощущений боли.

Изученные виды боли дают возможность проверить избирательность действия обезболивающих препаратов, сравнительно охарактеризовать их по степени обезболивающего эффекта. В любой области медицины, когда заболевание связано с изменением характера ощущений, имеется возможность провести клинико-физиологическое исследование и затем практически использовать ультразвуковые методы в диагностике.

В процессе физиологических, клинических, клиникофизиологических наблюдений естественно обогащающее взаимодействие теории и практики, в результате которого можно ожидать формирование и развитие представлений о сходных и различных чертах в функции разных органов чувств, об особенностях рецепторной функции соматической и вегетативной систем. В этой связи полезно развивать исследования органов зрения, обоняния, глубинных рецепторных систем организма, сочетая традиционные методы стимуляции с применением фокусированного ультразвука. Изучение механизмов ультразвуковой активации приближает нас к пониманию общих, основополагающих механизмов рецепции и к возможности их коррекции при патологии.

Заключение

Итак, к настоящему времени установлено, что фокусированный ультразвук может быть не только разрушающим агентом, как это знали и раньше: используемый в определенном режиме, он оказывает функциональное воздействие раздражающего или угнетающего характера.

Подобно тому как свет фокусируется отражающей вогнутой поверхностью, ультразвуковая энергия может быть сконцентрирована в определенном объеме, называемом фокальной областью, внутри которого энергия ультразвука распределяется неравномерно: наибольшая концентрация достигается в центре и спадает практически до нуля по краям. Такое распределение энергии реализует требование к раздражителю о необходимости строго локального воздействия. В зависимости от конкретной задачи исследования размеры фокальной области могут изменяться, например достигать долей миллиметра, а если учесть неравномерность распределения интенсивности в фокусе, то реальная область воздействия еще меньше.

Фокальная область может быть направлена в мягкие ткани организма на глубину, которая определяется фокусным расстоянием сферического излучателя. В связи с тем что акустические свойства мягких тканей близки к свойствам воды, создаются условия, когда можно воздействовать на определенные структуры в глубине организма, не влияя сколько-нибудь существенно на ткани, окружающие фокальную область. Предварительное оперативное вмешательство становится ненужным. Тем самым удовлетворяется требование к раздражителю о физиологичности воздействия.

Исследования показали, что стимуляцией фокусированным ультразвуком чувствительных точек кожи можно вызвать ощущения, появляющиеся у человека в ответ на естественные раздражения кожи, например ощущения тепла, холода, щекотки, тактильные ощущения и т. д.

Основным был и остается вопрос о нахождении тех действующих факторов, которые в каждом конкретном случае могут быть ответственны за появление того или другого функционального эффекта, в частности кожного ощущения определенной модальности. К выявлению этих факторов приходится подходить разными способами. Некоторые определялись измерением, например, температуры в фокальной области, интенсивности ультразвука и т. д., другие — на основе анализа результатов разных исследований, полученных, например, с ультразвуком нескольких частот. В результате подобного анализа сделан вывод, что в основе всех указанных выше кожных ощущений лежит механическое действие ультразвука. Были определены пороговые величины смещений, необходимых для получения тактильных, температурных и болевых ощущений. Полученные данные подтверждены опытами с применением неультразвуковых механических раздражителей. Опыты подтвердили, что ощущения тепла, холода и боль можно вызвать механической стимуляцией чувствительных точек.

Одним из своеобразнейших явлений, с которым постоянно сталкивается медицина и которое, с одной стороны, служит предупредительным знаком для того, чтобы человек защищался от грозящего неприятного воздействия, а с другой — приносит ему массу неприятностей, является боль. С помощью фокусированного ультразвука удалось обнаружить, что у человека можно выделить совершенно самостоятельные виды боли, отличающиеся друг от друга по локализации, величине порога, характеру иррадиации и субъективному описанию ощущения. Такого рода результаты дают основание надеяться, что при некоторых заболеваниях выявятся изменения болевых порогов, а это может оказаться важным для диагностики. Так, в клинико-физиологических исследованиях нами показано, что иногда одновременно с повышением порогов тактильных ощущений снижались пороги боли.

Перспективным направлением в исследовании болевой рецепции с помощью фокусированного ультразвука представляется оценка действия препаратов, которые избирательно блокируют боль. Контроль за эффективностью их действия мог бы быть осуществлен по изменению порогов боли.

Одним из ведущих ощущений человека, определяющих в значительной степени его социальный статус, является слух. По статистике известно, что до 4% населения страдают тугоухостью. Среди таких больных имеется значительное количество глухих в результате поражения рецепторных клеток ушного лабиринта. Этим больным не помогают современные слуховые аппараты, оперативное лечение и т. д. Использование фокусированного ультразвука дает основание надеяться на возможность слухового протезирования таких больных, минуя пораженный рецепторный аппарат.

В настоящее время получены экспериментальные данные, подтверждающие предположение о возможности действия ультразвука на волокна слухового нерва. Механизм такого действия пока не ясен. Обнадеживающими для введения слуховой информации глухим являются данные о функциональной сохранности у них части волокон слухового нерва при полной гибели рецепторного аппарата.

Оценка ультразвуком возможностей для электроимплантационного слухопротезирования представляется перспективной потому, что при этом не требуется оперативного вмешательства. Существенным остается вопрос о влиянии ультразвука при длительном воздействии. В этом направлении необходимы специальные исследования. Не менее серьезной представляется проблема обучения пользования новым протезом для наиболее оптимального и полного приема передаваемой информации.

Исследования по воздействию ультразвуком на сетчатку глаза пока не дают убедительных данных о возможности получить зрительные ощущения. Нет данных и о прямом раздражающем действии ультразвука на нейроны центральной нервной системы позвоночных животных, хотя для беспозвоночных такие данные получены. Описано действие фокусированного ультразвука на электрорецепторные структуры рыб, на структуры центральной нервной системы позвоночных, заключающееся в обратимом угнетении некоторых моторных реакций, и т. д. Получены данные об общих закономерностях функционального действия ультразвука на нервные структуры, что дает основание надеяться на реализацию управляющих и модулирующих влияний путем воздействия на различные структуры центральной нервной системы в эксперименте на животных.

Ультразвук удовлетворяет многим требованиям для оптимального искусственного стимула, однако, как уже указывалось, до настоящего времени неизвестны механизмы его непосредственного функционального действия на нервные структуры в тех случаях, когда оно не вызывается механическим фактором. При действии на волокна слухового нерва не исключено промежуточное преобразование ультразвукового стимула в электрический. Возможен тот же тип воздействия и на центральные нейроны моллюсков.

Фундаментальные и прикладные медико-биологические исследования с применением в качестве раздражителя фокусированного ультразвука уже достигли такого уровня, когда они нуждаются в периодической систематизации и целенаправленном развитии для изучения функциональных закономерностей организма. Вместе с тем результаты этих исследований свидетельствуют о необходимости их практического использования.

Рекомендуемая литература

Аккерман Ю. Биофизика. М. : Мир, 1964. 683 с.

Бардин К. В. Проблема порогов чувствительности и психофизические методы. Л.: Наука, 1976. 395 с.

Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во ин. лит., 1956. 726 с.

Вартанян И. А. Слуховой анализ сложных звуков. Л.: Наука, 1978. 150 с.

Вартанян И. А. Звук—слух—мозг. Л.: Наука, 1981. 175 с.

Вуд Ф. Г. Морские млекопитающие и человек. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 264 с.

Гаврилов Л. Р., Цирульников Е. М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л.: Наука, 1980. 198 с.

Милнер П. Физиологическая психология. М.: Мир, 1973. 647 с.

Мозг. М.: Мир, 1982. 279 с.

Нейрофизиологические механизмы внимания. М.: Изд-во МГУ, 1979. 300 с.

Прибрам К. Языки мозга. М.: Прогресс, 1975. 464 с.

Реценции и фокусированный ультразвук. Л.: Наука, 1976. 71 с.

Сомьен Дж. Кодирование сенсорной информации. М.: Мир, 1975. 415 с.

Тамар Г. Основы сенсорной физиологии. М.: Мир, 1976. 520 с.

Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Изд. Советская энциклопедии, 1979. 400 с.

Физиологии сенсорных систем. Л.: Медицина, 1976. 398 с.

Цирульников Е. М. О некоторых вопросах температурной рецепции. — В кн.: Сенсорные системы. Морфологические и поведенческие аспекты. Л.: Наука, 1977, с. 104—124.

Цукерман В. А. Локальное воздействие на нейроны живого мозга сходящимися ультразвуковыми или слабыми ударными волнами. — Биофизика, 1969, т. 14, № 2, с. 300—303.

Content

И. А. Вартанян, Е. М. Цирульников
Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Предисловие

Введение

Глава 1. Органы чувств и ощущения

Информация и раздражители

Рецепторы и проблема сенсорной специфичности

Преобразователи и сигнализация

Нейроны и синапсы

Центральное представительство сенсорных систем

Регуляция и контроль сенсорных сигналов

Сенсорная стимуляция и ощущение

Глава 2. Возможности применения фокусированного ультразвука для изучения органов чувств

Некоторые общие сведения об ультразвуке

Фокусирование ультразвука

Сфера использования, режимы

Сопоставление с другими раздражителями

Ультразвуковое воздействие и безопасность

Глава 3. Ультразвук как раздражитель органов чувств

Тактильная чувствительность

Температурная чувствительность

Боль

Вибрация

Слух

Электро- и другие виды рецепции

Глава 4. Действие фокусированного ультразвука на нервные проводники и центры мозга

Активация и угнетение

Разрушение глубоких структур мозга

Функциональное действие ультразвука — медицине

Заключение

Рекомендуемая литература