Текст книги "Коснуться невидимого, услышать неслышимое"
Автор книги: Инна Вартанян
Соавторы: Ефим Цирульников
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 11 страниц)
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.
