Читаем Коснуться невидимого, услышать неслышимое онлайн бесплатно

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

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

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.

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.