Текст книги "В мире запахов и звуков"

Автор книги: Сергей Рязанцев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 34 страниц)

Лабиринты, лабиринты…

Лабиринт – запутанная сеть дорожек, ходов, сообщающихся друг с другом помещений. Первоначально – большое здание со сложно расположенными переходами в Древней Греции и Египте.

С. И. Ожегов «Словарь русского языка»

Древнегреческий историк Плутарх в «Сравнительных жизнеописаниях» рассказывает нам историю Тесея, одного из величайших мифических героев Афин. Среди его многочисленных подвигов, пожалуй, наиболее известный – битва в закоулках Лабиринта со страшным чудовищем Минотавром – полубыком-получеловеком. Могущественный царь Крита Минос наложил на Афины дань: каждые девять лет афиняне должны были присылать ему семь юношей и семь девушек. По приезде на Крит их помещали в Лабиринт – дворец с бесчисленными запутанными переходами, из которого невозможно было найти выход. Обитавший в Лабиринте Минотавр поедал предназначенные ему жертвы. Тесей в схватке с чудовищем победил Минотавра, а выбраться из Лабиринта ему помогла нить, подаренная дочерью царя Миноса Ариадной.

Когда средневековые анатомы впервые стали изучать строение внутреннего уха, то были поражены обилием запутанных извивающихся канальцев, в анатомии которых не так-то просто было разобраться. Вспоминались блуждания Тесея по переходам Критского дворца, и поэтому внутреннее ухо было названо так же, как жилище Минотавра – «лабиринт».

Что же представляет из себя лабиринт? Это система перепончатых канальцев, заполненная особого рода жидкостью – эндолимфой, о которой мы поговорим позднее. Эта система канальцев, как скрипка в футляр вставлена в плотный костный чехол, полностью повторяющий все изгибы перепончатого лабиринта. Между костным и перепончатым лабиринтом содержится жидкость, называемая пери-лимфой. Она по системе особых водопроводов сообщается с жидкостями головного мозга и по своему составу напоминает спинномозговую жидкость.

Костный лабиринт помещается в височной кости, в той ее части, которая называется «пирамида» или «каменистая часть височной кости». Действительно, это необыкновенно прочная кость. Вот как старательно оберегает природа этот удивительный инструмент – внутреннее ухо.

В лабиринте различают 3 основные части – улитку, полукружные каналы и преддверие лабиринта. Улитка по своей форме напоминает панцирь обычных улиток, которые в изобилии ползают по берегам наших водоемов – те же самые два с половиной завитка вокруг центрального стержня. Улитка содержит кортиев орган, т. е. орган, непосредственно отвечающий за восприятие звуковых волн.

Три полукружных канала расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и напоминают ручки чайных чашечек. Один конец этих ручек – гладкий, другой – булавовидно утолщен. В утолщениях и помещаются особые рецепторы вестибулярного аппарата.

Между улиткой и полукружными каналами, в преддверии лабиринта, находятся два мешочка – круглый и эллипсоидной формы. В них также помещаются рецепторы вестибулярного аппарата.

Итак, что же происходит в лабиринте? Звуковая волна колеблет барабанную перепонку, колебания передаются на рукоятку молоточка, наковальню, стремечко.

Стремечко помещается в овальном окошке, расположенном в капсуле лабиринта и точно соответствующем по своим очертаниям форме стремени. Колеблясь взад-вперед в этом окошке, стремечко действует как поршень и начинает раскачивать жидкости лабиринта. Эти колебания передаются на перепончатый лабиринт и воспринимаются рецепторными клетками кортиева органа.

Почему коты-альбиносы не слышат?

Нижняя стенка перепончатого лабиринта называется основной мембраной. Основной она названа потому, что существует еще одна мембрана, отделяющая перепончатый лабиринт от костного. Две эти мембраны сходятся под углом таким образом, что на разрезе перепончатый лабиринт напоминает треугольник, вставленный в кольцо костного лабиринта. Нижней и верхней стенками треугольника являются уже упомянутые нами мембраны, а боковой – стенка костного лабиринта.

На основной мембране располагаются особые клетки органа слуха, впервые описанные анатомом Корти и в честь него названные кортиевым органом. Среди этих клеток различают волосковые, которые непосредственно отвечают за восприятие слуха, и клетки поддерживающие, выполняющие вспомогательные функции. Над клетками кортиева органа нависает язычок, называемый покровной мембраной. Волоски волосковых клеток упираются в этот язычок и, как было выяснено не так давно с помощью современных микроскопов, не просто упираются, а врастают в покровную мембрану. При звуковых раздражениях под влиянием всех тех процессов, о которых мы уже говорили, начинает колебаться основная мембрана, а вместе с ней и расположенные там волосковые клетки. Но прикрывающий их язычок покровной мембраны остается неподвижным, волоски упираются в нее и начинают гнуться. Вот это-то изгибание волоска и является причиной возникающих ощущений звука. В волосковой клетке происходит преобразование механических колебаний в электрические, этот зашифрованный электрический сигнал достигает коры головного мозга и там происходит дешифровка: электрические колебания вновь превращаются в звуковые ощущения.

К шести месяцам внутриутробной жизни слуховой анализатор плода уже способен функционировать. Так что ребенок, еще находящийся в утробе матери, вполне способен воспринимать звуковые раздражения. Недавно в журнале «Сайенс» были опубликованы неожиданные результаты наблюдений группы американских психологов способности грудных детей узнавать знакомую сказку, многократно прочитанную задолго до рождения. В настоящее время в Америке проводится массовый эксперимент с участием 700 будущих родителей, которые пытаются общаться с еще не родившимися младенцами. По мнению исследователей, если муж, наклонясь к животу беременной жены будет несколько раз в день произносить «Малыш, я твой папа!», то это благотворно подействует на психику ребенка и грудной младенец быстрее начнет реагировать на голос отца.

Интересно, что различные участки коры головного мозга строго делят свои функции. Так, за зрение «отвечает» затылочная область коры, а за слух – височная. При некоторых заболеваниях (например, менингите или энцефалите) происходит разрушение определенных участков головного мозга. Если процесс затрагивает височную область, то может наблюдаться довольно странный симптом – так называемый симптом центральной глухоты. Такие больные хорошо слышат «чистые» звуковые сигналы, например камертон, но совершенно не понимают обращенной к ним речи. У них нарушен синтез, и зашифрованные во внутреннем ухе сигналы так и остаются простыми сигналами, секрет шифра больными утерян, как ни парадоксально – они глухие, хотя и обладают довольно острым слухом.

В 1812 году французская армия вторглась в Россию. Пост государственного канцлера в то время занимал граф Николай Петрович Румянцев, сын знаменитого героя екатерининской эпохи фельдмаршала П. А. Румянцева-Задунайского. Он был сторонником сближения с Францией, а потому тяжело переживал полное крушение своей внешней политики. Известие о вступлении Наполеона в пределы России настолько потрясло Румянцева, что с ним сделался апоплектический удар (так тогда называли инсульт, кровоизлияние в кору головного мозга), и он навсегда лишился слуха. С окружающими канцлер общался посредством аспидной доски и мела – на ней писались обращенные к нему вопросы, а он давал устные ответы.

В той же самой височной доле головного мозга находятся и центры, отвечающие за речь. При поражении этой зоны возникают не только нарушения слуха, но и нарушения речи, так называемая моторная афазия. Больной видит предъявляемый ему предмет (авторучку, стакан, ложку), узнает его, но не может назвать. Создается впечатление, что он забыл большинство слов русского языка.

Замечательный русский археолог Игнатий Стеллецкий, посвятил свою жизнь поискам исчезнувшей библиотеки Ивана Грозного в Кремле. В 1949 году он тяжело заболел – поражение одного из важнейших мозговых центров вызвало серьезное нарушение его деятельности, называемое неврологами «афазией». Археолог перестал понимать разговорную речь и сам стал произносить слова, как думали многие, «не принадлежавшие ни к какому языку». В то же время он производил впечатление вполне здорового, общительного человека; он ходил из угла в угол по своей комнате, разговаривая сам с собой и произнося речи на этом, ему одному известном языке.

Вдова археолога Стеллецкого вспоминала: «…Это были такие мучительные дни!.. Он был в полном сознании и непрерывно о чем-то говорил, но я, несмотря на все мои старания, не могла уловить в его речи ни одного внятного слова. Порой мне казалось, что он говорит на каком-то восточном языке, которого я не знаю. Я слышала, что при этой болезни бывают случаи, когда человек забывал только свой родной язык, но мог говорить на последнем из тех, которые он изучал… Позже других он изучал арабский. На нем он научился говорить во время двухлетнего пребывания в Палестине, но проверить, говорил ли он именно на этом языке перед смертью, я не могла…»

Из других источников известно, что в последний год жизни, после перенесенного инсульта головного мозга, в результате развившейся афазии Игнатий Яковлевич Стелецкий действительно мог говорить только по-арабски, на языке, который он изучал последним, во время преподавания в русско-арабской семинарии в Палестинском городе Назарете. При этом Стелецкий понимал говоривших по-русски окружающих и читал книги на русском языке.

Но вернемся к внутреннему уху. Уже давно ученые заметили, что коты-альбиносы глухие. В чем тут дело? Никаких видимых повреждений внутреннего уха у них обнаружено не было, все перечисленные механизмы функционировали, но тем не менее коты-альбиносы не реагировали на звуковые раздражения. Дело, оказывается, еще в одном образовании внутреннего уха – так называемой сосудистой полоске. Полоска эта занимает боковую часть перепончатого лабиринта, к ней подходят очень много кровеносных сосудов. Особые клетки сосудистой полоски работают как насосы и, что интересно, насосы избирательные. Они забирают из крови только определенные элементы, формируя совершенно уникальную жидкость, заполняющую перепончатый лабиринт – эндолимфу. Жидкость эта служит не только для питания клеток кортиева органа, она также важна для электрофизиологических явлений, проходящих в волосковых клетках. А для этого у нее должен быть строго определенный электролитный состав, за формирование которого отвечают клетки-насосы сосудистой полоски. Клетки эти обязательно должны содержать пигмент, без него их работа нарушается. А вот у альбиносов пигмента-то и нет. Нет его в волосах, поэтому шкура таких животных абсолютно белая, бесцветная; нет его и в радужке глаза – поэтому глаза у них не карие, не черные, а только красные (сквозь обесцвеченную радужку просвечивают кровеносные сосуды) или светло-голубые. Нет у альбиносов пигмента и в сосудистой полоске, поэтому и эндолимфа вырабатывается дефектная, она не может обеспечить электрофизиологических реакций волосковых клеток, а значит и возникновения звуковых ощущений. Поэтому-то все животные-альбиносы всегда глухие.

Еще Чарльз Дарвин впервые заметил, что белые персидские кошки с голубыми глазами являются глухими от рождения. Наблюдение его оказалось правильным, и более того – многие из котов этой породы оказались еще и немыми. В то время объяснения этому факту найдено не было. В настоящее время порода белых персидских кошек с голубыми глазами (стандарт N2 кошачьих пород ФИФЕ) является довольно редкой, селекция их практически не ведется. Сейчас очень распространены и популярны белые персидские кошки с оранжевыми глазами (стандарт N2a ФИФЕ). У них нет слуховых и языковых дефектов, как у их голубоглазых сородичей.

Существует еще один стандарт ФИФЕ персидских кошек – N2c. Это белые персидские кошки с глазами разного цвета – один голубой, а другой оранжевый. Кошки эти довольно редкие. Они очень элегантны и интересны. Прежде они тоже страдали от глухоты, но теперь умелой селекцией удалось свести дефект почти до нуля.

Среди короткошерстных кошек белые европейские с голубыми глазами нередко бывают глухонемыми, с глазами же другого цвета – нет. Вот какое значение имеет наличие пигмента в волосковых клетках звуковоспринимающего аппарата.

О натянутых струнах и бегущей волне

Ученые давно пытались разгадать тайну возникновения слуховых ощущений. Путь к этой тайне был непростой, последователей подстерегали ошибки и разочарования, открытия и парадоксы. Иногда новые факты полностью перечеркивали полученные ранее, с тем, чтобы в свое время также оказаться перечеркнутыми. Споры о механизмах звуковосприятия продолжаются и по сей день, поэтому мы вас познакомим только с гипотезами. Само слово гипотеза означает только предположение, она не претендует на то, чтобы быть единственно верным решением, окончательной теорией. Но без гипотез мы никогда не смогли бы создать такой теории. Первым, кто попытался создать теорию слуха был немецкий физик, математик, физиолог и психолог Герман Гельмгольц (1824–1884).

Личность эта была уникальная, одаренная, многосторонняя, в чем-то сродни многогранным титанам эпохи Возрождения. Помимо основных своих профессиональных занятий, физики и математики (где он, кстати говоря, также достиг значительных успехов), Гельмгольц увлекался физиологией. Именно ему мы обязаны открытием законов преломления лучей света в хрусталике глаза, созданием теории аккомодации (изменение кривизны хрусталика при взгляде вдаль или вблизи, разработкой учения о цветном зрении). В память о заслугах Гельмгольца Московский научно-исследовательский институт глазных болезней носит его имя. Занимался Гельмгольц и исследованием речи, ему принадлежит одна из теорий голосообразования.

Гельмгольц был стихийным материалистом, однако непоследовательным. Признавая объективную реальность внешнего мира, он, тем не менее, считал, что представление человека о внешнем мире – это всего лишь совокупность условных знаков, символов, а не отражение реально существующих объектов. В философии его взгляды получили название «теории символов» или «теории иероглифов». В. И. Ленин критиковал теорию Гельмгольца в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм» (которая в настоящее время сама подвергается критике – С. Р.) но, тем не менее, высоко ценил его как талантливого физика и физиолога.

Гельмгольц предложил интересную теорию слуха, названную резонансной. Что такое резонанс? С этим понятием вы, вероятно, знакомы из курса физики. Если частота колебаний какого-либо предмета совпадает с внешней, вызванной частотой, прилагаемой к этому предмету, то амплитуда колебаний многократно усиливается. Мост раскачивается, колеблется под влиянием шагов идущих по нему пешеходов. А если идет рота солдат, и причем в ногу? Каждое последующее колебание будет совпадать с предыдущим, наступает резонанс, амплитуда колебаний может достигнуть таких параметров, что мост не выдержит и обвалится. Именно такая история произошла в начале века в Петербурге с Египетским мостиком через Фонтанку.

А теперь представьте себе, что вы зашли в комнату, где стоит рояль, и стали громко разговаривать. И вдруг под влиянием вашего голоса одна из многочисленных струн рояля стала звучать и вибрировать. Не удивляйтесь, частота колебаний данной струны соответствует частоте вашего голоса, наступило явление физического резонанса.

Гельмгольц предположил, что на основной мембране натянуто множество микроскопических струн. Причем у основания улитки струны эти очень короткие, а чем ближе к верхушке, чем струны основной мембраны становится длиннее. Те или иные струны вступают в резонанс со звуками той или иной частоты. Короткие струны резонируют со звуками высокой частоты, а длинные – с низкочастотными, басовыми звуками. Таким образом, происходит первичный анализ звуков уже на уровне улитки, причем высокие звуки воспринимаются у основания, а низкие – у верхушки.

Эта теория быстро нашла последователей, но были и скептики. Они говорили: во-первых, эти струны гипотетические, их никто и никогда, ни на одном препарате не видел. Во-вторых, утверждали они, давайте произведем простейший арифметический подсчет. Известно, что человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Герц (1 Герц это величина, равная 1 колебанию в 1 секунду; следовательно 16 Герц – это 16 колебаний в 1 секунду, а 20 000 Герц, соответственно – 20 000 колебаний в 1 секунду). Звуки с разницей частоты в 1 Герц воспринимаются уже как разные. Следовательно, согласно теории Гельмгольца, на основной мембране, длиной в несколько миллиметров должно быть не менее 20 000 струн. Это трудно предположить. Значит, утверждали они, теория Гельмгольца ошибочна.

Но не будем спешить с выводами. Один из учеников академика И. П. Павлова Л. А. Андреев проделал серию интересных опытов. Собакам устанавливали фистулу слюнной железы таким образом, что при кормлении часть слюны через трубочку выделялась наружу. Затем вырабатывали условный рефлекс на звуки высокой и низкой частоты: кормление многократно сочетали со звуковыми сигналами до тех пор, пока слюна не начинала выделяться только на звук. Это слюноотделительная условнорефлекторная методика хорошо известна из ставших классическими работ И. П. Павлова. Далее экспериментатор разрушал у собак верхушку улитки, и у этих животных полностью выпадали рефлексы на низкие звуки (а на высокие – сохранялись). У другой группы подопытных животных Андреев разрушал основной завиток, при этом наблюдалось выпадение условных рефлексов на высокие звуки. Тем самым экспериментально было подтверждено основное положение Гельмгольца о первичном анализе звуков уже на уровне улитки.

Резонансная теория Гельмгольца получила подтверждение и в клинике. Исследование улиток умерших людей, страдавших островковыми выпадениями слуха, позволило обнаружить изменения кортиева органа в участках, соответствующих утраченным частотам.

Вместе с тем, дальнейшее изучение механических свойств основной мембраны показало, что ей не свойственна высокая избирательность. Под влиянием звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы. Эти наблюдения позволили Дьердю Бекеши сформулировать гидродинамическую теорию слуха, называемую также «теорией бегущей волны».

Вспомним школьные уроки физики, опыты по наблюдению «бегущей волны». Учитель брал длинный и гибкий шнур, один конец которого был фиксирован неподвижно, а другой прикреплялся к какому-либо источнику механических колебаний. На шнуре возникали волны, причем их расположение зависело от частоты колебаний шнура. Прямые наблюдения с регистрацией колебаний основной мембраны показали, что звуки определенной частоты также вызывают на ней «бегущую волну». Гребню этой волны соответствует большее смещение основной мембраны на одном из ее участков, локализация которого зависит от частоты звуковых колебаний. По мере повышения звука прогиб основной мембраны смещается. Наиболее низкие звуки приводят к прогибанию мембраны у верхушки улитки, а высокие – у основания. Как видим, выводы о первичном анализе звуков на уровне улитки и характер распределения этих звуков на основной мембране совпадают и в резонансной теории Гельмгольца, и в гидродинамической теории Бекеши, хотя причина этого трактуется с совершенно различных позиций законов гидродинамики. Основная мембрана смещается на гребне «бегущей волны» и, колеблясь, вызывает деформацию сдвига в волосковых клетках кортиева органа над этим участком мембраны. Каким образом происходит трансформация механической энергии звуковых колебаний в нервное возбуждение, – на этот вопрос пытались и пытаются дать ответ многие исследователи.

В конце 40-х годов нашего века американский исследователь Халавел Дэвис, вживляя микроэлектроды в улитку кошки, регистрировал электрические потенциалы, возникающие в улитке. На основании своих наблюдений он создал собственную электрофизическую теорию слуха. Согласно его теории, каждый волосок волосковых клеток кортиева органа подобен пьезоэлектрическому кристаллу. Как известно, эти кристаллы обладают интересным свойством – в прямом положении они нейтральны, но стоит их чуточку согнуть, как тут же появляется электрический заряд.

При колебаниях основной мембраны, естественно, начинают колебаться и волосковые клетки. Но сверху на волоски давит покровная мембрана, поэтому волоски сгибаются и при этом возникает электрический заряд. Таким образом, под влиянием деформации волосков рецепторных клеток синхронно со звуковыми колебаниями освобождается электрическая энергия, возникают биотоки. Эти биотоки являются раздражителями тончайших окончаний веточек слухового нерва, оплетающих волосковые клетки. По этому нерву и другим нервно-рефлекторным проводящим путям возбуждение передается в кору височных долей головного мозга, где происходит анализ и синтез звуковых раздражений.