Инна Вартанян - Коснуться невидимого, услышать неслышимое
Приведенные примеры подтверждают, что установить определенный режим воздействия необходимо как по соображениям безопасности, так и для достижения тех или иных функциональных эффектов.
Глава 3. Ультразвук как раздражитель органов чувств
Исследования, выполненные рядом научных и клинических учреждений, продемонстрировали возможность активировать фокусированным ультразвуком различные рецепторные системы. У человека ультразвуковые воздействия вызывали весь набор ощущений, связанный с естественной активацией периферического аппарата соматосенсорной системы: тактильные, болевые, ощущения вибрации, тепла, холода, щекотки, зуда. С помощью ультразвуковых воздействий возникали также слуховые и вкусовые ощущения. Электрофизиологическими методиками получены ответы при действии фокусированного ультразвука на рецепторный аппарат равновесия (статоцист) моллюсков, на электрорецепторную систему рыб, на слуховую систему лягушки.
Тактильная чувствительность
Если совмещать центр фокальной области излучателя ультразвука с чувствительными точками на коже человека, то действием ультразвука можно вызвать тактильные ощущения. В зависимости от интенсивности и длительности стимулов человек характеризует ощущения как легкое прикосновение, наподобие прикосновения маленькой кисточкой, слабый локальный толчок, удар капельки воды и так далее.
Еще с конца прошлого века благодаря исследованиям М. Бликса, М. Фрея и других ученых известно, что чувствительность кожи дискретна, т. е. существуют чувствительные места и нечувствительные, «слепые». Действие неразрушающих стимулов на такие слепые места не вызывает ощущений. Только при разрушении тканей возникает боль в области, размер которой значительно обширнее, чем место воздействия. Диаметр отдельных чувствительных мест может быть очень мал. Именно поэтому их называют чувствительными точками.
На коже кисти чувствительные точки расположены очень плотно по всей поверхности. На предплечье и плече плотность уменьшается. Ощущения в ответ на действие ультразвука появляются здесь лишь в том случае, если фокальная область попадет в чувствительную точку. В соседних, «слепых» точках, где нет рецепторных структур, ультразвук не вызывает ощущений, за исключением разлитой боли, возникающей при определенных режимах воздействия.
Когда используют стимулы фокусированного ультразвука длительностью приблизительно до 25 мс, возникает одиночное тактильное ощущение. При большей длительности появляются два ощущения, соответствующие началу и концу стимула. В опытах с применением ультразвуковых частот в диапазоне 0.47—2.67 мГц величина порога ощущения не зависит от частоты ультразвука как таковой, а связана с амплитудой смещения среды в фокальной области. Как только достигается необходимая величина амплитуды смещения тканей в области воздействия порядка 0.05—0.1 мкм, возникает пороговое тактильное ощущение. Не следует, однако, забывать, что колебательное смещение частиц среды происходит с частотой ультразвука. Казалось бы, возникает противоречие: пороги не зависят от частоты ультразвука, но в то же время измеряются амплитудой знакопеременного смещения, частота которого соответствует частоте ультразвуковых колебаний. Однако уже отмечалось, что ощущение вызывается только короткими ультразвуковыми стимулами, а при их удлинении возникают два ощущения, отмечающие начало и конец стимула. Следовательно, ощущения соответствуют переднему и заднему фронтам стимулов. Тогда понятно, почему величина порога не зависит от частоты ультразвука. Совершенно неважно, какой будет частота «заполнения» стимула, если ответная реакция возникает только на его начало и конец.
В физиологии органов чувств есть понятие об оптимальной частоте стимуляции. В зоне оптимальной частоты порог реакции наименьший, диапазон интенсивности и способность к различению наибольшая. В нашем случае это не частота ультразвука, а частота следования ультразвуковых стимулов, при которой пороги тактильного ощущения будут наименьшими. Для тактильной рецепции такая частота — около 250 Гц. Если стимулы будут следовать друг за другом чаще, пороги тактильных ощущений повышаются, а при частоте следования выше 700 импульсов в секунду тактильные ощущения вызвать не удается. Такая закономерность существует не только для ультразвуковых стимулов, но для любых ритмических механических воздействий на кожу, например с помощью вибратора. Становится ясно, почему тактильные пороги не связаны с частотой ультразвука: физиологический предел срабатывания кожных рецепторных структур — около 700 Гц, а частота ультразвука на три порядка выше.
При перемещении фокальной области по коже руки в направлении от пальцев к предплечью пороги тактильных ощущений постепенно возрастают. На предплечье не удается найти ни одной чувствительной точки, в которой эти пороги были бы равны или ниже, чем в точках на коже кисти (рис. 16). О чем свидетельствует этот факт? Со времен М. Бликса и М. Фрея известно, что в коже находятся тактильные рецепторные структуры разнообразного строения. Известно также, что плотность их распределения уменьшается по направлению от пальцев к предплечью. Следовательно, величина порога связана не с морфологическими особенностями рецепторных структур, как предполагали ранее, а с их количеством. Чем меньше рецепторных структур на единицу площади поверхности кожи, тем выше тактильный порог.
Полученные данные и сделанный вывод пока не отрицают полностью связи функции со строением тактильной рецепторной структуры. Дело в том, что тактильные пороги на коже тыльной стороны кисти и предплечья оказались выше, чем на ладонной стороне. Это видно на том же рисунке (16, Б). Рецепторный аппарат тыльной поверхности связан с кожными волосками, которых нет на ладони, и вообще строением существенно отличается от рецепторных структур неволосистой, как принято говорить, гладкой кожи. Пока неизвестно, различается ли по плотности распределение рецепторных структур ладонной и тыльной поверхности кожи руки. Поэтому и нет окончательного суждения о том, в каких соотношениях находятся строение и функция тактильных рецепторных структур этих двух «разновидностей» кожи.
Рис. 16. Исследование тактильной чувствительности.
А — фрагмент установки для исследования чувствительности руки с помощью ультразвука, о — опорные держатели для руки, у — ультразвуковой фокусирующий излучатель, м — подвижная муфта для совмещения центра фокальной области излучателя с поверхностью кожи. Над излучателем — проекция кисти. Римскими цифрами обозначены области исследования: I—V со стороны ладонной поверхности, VI—X — со стороны тыльной. Арабскими цифрами помечены точки, в которых осуществлялось воздействие ультразвуком: точка 2 в VI области правой руки совмещена с центром фокальной области излучателя. Ультразвук частотой 2.56 МГц, воздействие в режиме одиночных прямоугольных импульсов длительностью 1 мс, предъявляемых произвольно, обычно не чаще, чем 1 имп./с.
Рис. 16 (продолжение).
Б — пороги тактильной чувствительности человека на кисти и предплечье по данным обследования 8 человек в возрасте от 20 до 42 лет. По оси абсцисс — номер обследованного участка; по оси ординат — амплитуда смещения среды в фокальной области ультразвукового излучателя, мкм. Кружки — пороги тактильных ощущений на ладонной поверхности кисти и предплечья (черные — первое измерение, светлые — повторные), треугольнички — пороги на тыльной стороне ладони и предплечья при однократном измерении.
Если фокальную область ультразвукового излучателя перемещать под кожу, пороги тактильных ощущений повышаются. В одних случаях человек ощущает воздействие в коже и не отличает его от воздействия при расположении центра фокальной области на коже. В других случаях возникают ощущения иного рода, наподобие разлитого толчка в глубине, пульсации сосуда, подергивания за сухожилие. Как правило, глубинное ощущение — более разлитое, чем кожное, без четких границ. Когда ощущение проецируется в кожу, можно предполагать два варианта активации ультразвуком чувствительных структур. Во-первых, могут активироваться структуры в коже. При этом более высокие пороги объясняются тем, что центр фокальной области расположен под кожей. Активация структур осуществляется тогда за счет действия на них края области, где интенсивность ультразвука значительно меньше, чем в центре. Не исключается и второй вариант, который предусматривает возможность активации идущих от кожи нервных волокон. В таком случае распространенность ощущения связана с местом ветвления волокон, и поэтому оно не столь локально, как при расположении центра фокальной области в коже. Если речь идет о тактильных ощущениях в глубине без проекции на кожу, возможна активация тех рецепторных структур, которые расположены в мышцах, стенках сосудов, в сухожилиях. Количество этих структур, как показывают наши опыты, уменьшается по направлению от пальцев к предплечью, поскольку наблюдается повышение порогов в этом направлении.
