Инна Вартанян - Коснуться невидимого, услышать неслышимое

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

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

---

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/см2) 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/см2. Однако диапазон интенсивностей, вызывающих реакцию с отсутствием эффекта последействия в виде паралича глазных мышц, очень ограничен. Уже при интенсивностях 380—420 Вт/см2 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/см2 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/см2 никаких изменений в ответной голосовой реакции лягушки не наблюдалось. Действие импульсов интенсивностью от 280 до 480 Вт/см2 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/см2 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/см2. 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.