Коснуться невидимого, услышать неслышимое

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/см². 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/см² (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/см². 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 I_n/I₀, где I_n — максимальная интенсивность ультразвука (Вт/см²), I₀ — пороговая интенсивность (Вт/см²). 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.