3 года назад
Нету коментариев

В. Б. Полянский, кандидат биологических наук

Как бы ни развивалась лю­бая отрасль науки, какие бы успехи ни были достигнуты в разработке фундаментальных основ той или иной дис­циплины, в конечном счете всегда стоит вопрос: насколь­ко наши научные достижения могут практически помочь обществу — в области ли промышленности, сельского хо­зяйства, медицины, педагогики и т. д.

Один из комплексов исследований, который может быть использован на практике, наметился в последнее десятилетие благодаря достижениям в специальных раз­делах физиологии, медицины, электроники, вычислитель­ной техники и других наук. Речь идет о восстановлении утраченных сенсорных функций (при потерях или болез­нях органов чувств).

В данной статье мы прежде всего будем говорить об исследовании в области восстановления зрения и в мень­шей степени о том, что известно в области восстановле­ния слуховых функций (такая пропорция соответствует количеству и значимости работ, выполненных на этих двух анализаторах).

До недавнего времени решение вопроса о возвраще­нии частичного зрения полностью слепым людям каза­лось нереальным, фантастическим. Как известно, зри­тельный анализатор, воспринимающий и перерабатываю­щий зрительную информацию, состоит из периферическо­го органа зрения (глаза), проводящих путей (нервов), подкорковых зрительных центров (латерального коленча­того тела и передних бугров четверохолмия) и высших корковых центров, где происходит окончательный ана­лиз световых сигналов и построение в мозге зрительного образа предмета. Человеческий глаз — изумительный ор­ган, который создала природа. Его нейрофизиологическое устройство и функции настолько сложны, что глаз удо­стоился названия «Мозг, вынесенный на периферию». На самом деле, и оптический механизм глаза, осуществляю­щий «наводку на резкость», и механизм аккомодации, позволяющий попадать в глаз оптимальному на данный период количеству света, и механизм движения глаза, обеспечивающий слежение за объектом и фиксацию взо­ра на наиболее важных частях объекта,— все это исклю­чительно сложные адаптивные системы, управляемые с помощью вышележащих областей мозга. Но, пожалуй, наиболее сложная система — это многослойная сетчатка, в рецепторах которой в ответ на свет происходит форми­рование электрического потенциала и дальнейшая обра­ботка зрительной информации многочисленными клетка­ми— биполярами, горизонтальными, амакриновыми и, наконец, ганглиозными клетками сетчатки. Ганглиозные клетки концентрируют все переработанные сведения об объекте, о его светлых и темных частях, о цвете, об ин­тенсивности и других его качествах.

Следует заметить, что каждая клетка накапливает сведения только о событиях, происходящих в ограничен­ном участке сетчатки площадью всего в несколько квад­ратных миллиметров и даже меньше. В сущности, вся информация о предмете передается по волокнам гангли­озных клеток в виде последовательности электрохимиче­ских импульсов — спайков. Эти волокна и образуют зри­тельные нервы. От каждого глаза в зрительном нерве идет в мозг около 300 тыс. волоконцев. Эти волоконца несут огромный объем информации, который перераба­тывается затем в упоминавшихся уже подкорковых и корковых центрах зрения.

Краткий экскурс в физиологию зрительного анализа­тора потребовался для того, чтобы показать (хотя бы приблизительно), какие нейрофизиологические механиз­мы выпадают с потерей зрения. Потеря зрения — поисти­не невосполнимая потеря для человека. По мнению уче­ных, около 70—80% всей информации у человека связа­но со зрительным анализатором. Слепоту могут вызвать различные травмы: глаукома, диабет, отслойка сетчатки, наследственные дефекты и другие болезни.

По неполным данным Всемирной организации здраво­охранения, в мире насчитывается около 15 млн. пол­ностью слепых, в том числе 650 тыс. слепых детей. В СССР около 150 тыс. полностью слепых и в 3 раза больше людей с частичной потерей зрения.

В мире много делается для облегчения участи слепых. Особенно большая работа проводится в СССР. В каждой республике слепые объединены в общества, им предо­ставлены хорошие жилищные условия, работа на специ­альных предприятиях. Государство выделят значитель­ную дотацию на социальное и медицинское обслужива­ние слепых (аналогичную помощь оказывают общества глухих).

Уже давно медики и физиологи предпринимали по­пытки компенсировать потерю зрения за счет работы других анализаторов, например, слухового, тактильного.

Еще в XIX в. русский физик Цандер стремился соз­дать устройство, в основу которого был положен феномен чувствительности кожи к свету. Однако этот прибор так и не был создан.

Впоследствии было предпринято множество других попыток к построению протезов для полностью слепых. Сюда можно отнести, например, созданный в России электроофтальм — циклоп Ноишевского (1889 г.). Гораз­до позже, начиная с 40-х годов нашего века, конструиру­ются локаторы, основанные на разных принципах. Здесь и локаторы, «ощупывающие» пространство с помощью ультразвука и посылающие перекодированные звуковые сигналы о препятствиях в ухо, и локаторы, основанные на принципе использования инфракрасных и ультрафио­летовых лучей, а также лучей лазера для оценки про­странства. Данные о внешнем мире и в этих приборах переводятся в звуковые сигналы.

В настоящее время продолжается работа над такими устройствами. Так, например, в Варшаве идет подготовка к производству электронного прибора «электроофтальм», изобретенного В. Старкевичем. Прибор состоит из свето­чувствительного, усиливающего и передающего узла. Первый узел содержит 300 фотодетекторов и находится на шлеме, надетом на голову слепого. Фотодетекторы превращают падающий свет в электрические сигналы, которые усиливаются и приводят в действие 300 электро­механических вибраторов, прикасающихся к коже лба. В движение приходят только те вибраторы, на фотоде­текторы которых падает свет. В результате на коже лба создается осязательное «изображение», для правильного восприятия которого требуются недели упорной трени­ровки.

Подобный прибор, только с подачей вибротактильного раздражения на кожу живота, создан доктором К. Коллинсом в США. По данным американских исследовате­лей, слепой может воспринимать передаваемое изображе­ние, может различать буквы.

В США специально для чтения слепыми создан при­бор «оптакон». Его главная составная часть — светочув­ствительная антенна из 144 элементов, используемая для считывания печатного текста. Каждый из светочув­ствительных элементов соединен с металлическим штифтиком, штифты эти вибрируют в зависимости от количества света и передают информацию на кожу паль­цев.

Следует заметить, что у всех перечисленных выше устройств для слепых есть один недостаток — они адре­суются не к зрительному, а к слуховому или тактильному анализаторам. В качестве информационного канала у слепых орган слуха чрезвычайно перегружен, кроме того, слепому нужно все время переводить условные акусти­ческие сигналы в понятный ему язык — и слепой быстро устает. Кожный анализатор, в свою очередь, имеет сравнительно низкую разрешающую способность (во вре­мени и в пространстве) и, кроме того, быстро адапти­руется; работает в целом медленно. Поэтому перечислен­ные выше аудиотактильные устройства у слепых суще­ственно не привились.

По-прежнему основным орудием ориентировки у сле­пых служит трость. «Читают» слепые по методу Брайля путем ощупывания кончиками пальцев выпуклостей на листах, составляющих на основе специального алфавита буквы и слова.

Итак, способы компенсации зрения с помощью других анализаторов, на которые так надеялись, не оправдали радужных надежд. Пришлось ученым искать новые, ра­дикальные пути. Постепенно стала вырисовываться идея о непосредственном введении информации в зрительную кору мозга человека. Эта идея появилась, конечно, не вдруг, существовало много предпосылок для ее реали­зации.

Еще в XIX в. нейрохирурги-исследователи стали при­менять электрическое раздражение мозга людей при нейрохирургических операциях. Пожалуй, первым был хирург Цинцинатти, который в 1874 г. стимулировал электричеством мозг больного, находящегося в сознании. В данном случае стимуляция производилась для уточне­ния границ эпилептогенных зон.

Исторически сложилось так, что сначала при опера­циях стимулировались соматосенсорные, ассоциативные и другие зоны коры, но в XX в. появились работы, касав­шиеся раздражения первичных и вторичных зрительных зон коры.

При стимуляции зрительной зоны в коре головного мозга человека было получено две группы эффектов.

Первая группа эффектов — возникновение ориентиро­вочных движений головы и глаз в сторону, противопо­ложную раздражаемому полушарию. По мнению ряда исследователей, возникающие при электрической сти­муляции зрительной коры ориентировочные реакции идентичны ориентировочным рефлексам, описанным И. П. Павловым. Такие же реакции наблюдались при раздражении зрительной коры мозга животных, что под­тверждает общность механизмов ориентировочных ре­акций у человека и животных.

Вторая группа эффектов — возникновение зрительных ощущений (фосфенов). Ранее было известно, что зритель­ные ощущения (фосфены) возникают у любого человека При ударе по глазу, стимуляции зрительного нерва и но­сят диффузный, неопределенный характер. Впоследствии, с развитием исследований при стимуляции зрительной коры электрическим током удалось получить весьма ло­кальные зрительные ощущения, более подробное описа­ние которых пойдет ниже. Ощущения-фосфены изучают почти исключительно при стимуляции зрительной коры мозга человека, так как только человек может дать сло­весный отчет о своих ощущениях. Однако некоторые похожие эффекты наблюдались и при электрическом раз­дражении зрительной коры животных. Так, американ­ский ученый Р. Доти получил при электрической стиму­ляции зрительной коры у обезьяны (поле 18) «направ­ленное вниз движение любой рукой с последующим вни­мательным наблюдением за осторожным и медленным раскрытием кулака». Эти реакции Р. Доти объясняет возникновением у обезьяны при электрическом раздра­жении зрительной коры оптических галлюцинаций типа «летящей бабочки».

Переходя теперь уже непосредственно к анализу воз­никающих в зрительной коре мозга человека фосфенов, необходимо сделать краткое отступление об исследова­ниях на мозге человека вообще.

Известно, что при операциях на мозге по поводу опу­холей, эпилепсии, травм, паркинсонизма и других болез­ней необходимы специальные исследования по определе­нию границ пораженных областей, в том числе с приме­нением электростимуляции. Кроме того, довольно часто проводится вентрикулография для исследования желу­дочков мозга с введением в них контрастного вещества, при этом электрод в ряде случаев вводится в желудочки мозга через зрительную кору.

В последние годы широкое применение при операци­ях на мозге получил метод локального кровотока для определения функционального состояния нервной ткани. В этом случае также допустима локальная стимуляция корковых структур.

В течение последних 10 лет проводятся операции по вживлению пучка золотых электродов в ядра таламуса и других структур для стимуляции их по поводу лечения дрожательного паралича. У нас в Советском Союзе этим вопросом успешно занимается лаборатория Инсти­тута экспериментальной медицины под руководством академика Н. П. Бехтеревой.

Комплекс работ по описанию эффектов электрической стимуляции зрительной коры мозга человека начался в 20-х годах этого века и проводился в основном силами немецких исследователей. Здесь надо отметить работы Левенштейна и Бурхарда (1918), Краузе (1924), Форсте­ра (1929), Урбана (1933) и других. Приведем более подробно результаты исследований работы Урбана (1933), так как она в значительной степени отражает и данные других приведенных здесь авторов.

В ходе исследований на пяти пациентах доктор Урбан при электрическом раздражении корковой зрительной зоны переменным током обнаружил, что сразу же после включения тока у человека возникали округлые фосфены в виде дисков, кругов, часто цветных и блестящих. В слу­чае возникновения белых фосфенов они были окаймлены небольшим цветным (голубым или желтым) ореолом. Фосфены исчезали сразу же после прекращения раздра­жения и не сопровождались никакими болевыми или дру­гими побочными ощущениями.

Более подробный анализ фосфенов был проведен в работах известного канадского нейрохирурга Пенфильда с соавторами (1950, 1952). При электрической стимуля­ции затылочной (зрительной) области коры у пациентов возникали зрительные ощущения, описываемые как «вспышки света, прыгающие огоньки, цвета, яркий свет, звезды, колеса, диски, желтовато-коричневые и голубые огоньки, тени и другие фигуры».

При электрическом раздражении первичной зритель­ной коры (поле 17) авторы отмечали возникновение бо­лее простых фосфенов в виде искр, звезд, ярких вспышек. Фосфены, полученные при стимуляции вторичных корко­вых зрительных зон (поля 18 и 19), по форме и окраске были значительно сложнее. Это могли быть контуры раз­личных предметов, фигуры и т. д.

Обнаруженные в этих работах различия фосфенов, полученных при раздражении разных полей, хорошо со­гласуются с современными представлениями о функцио­нальном значении первичного проекционного зрительно­го поля 17 и ассоциативных вторичных и третичных по­лей 18 и 19. Как подчеркивает в своих работах советский нейрофизиолог М. М. Хананашвили, поле 17 является нервной структурой, в которой протекают процессы, обес­печивающие предметное зрение, однако полностью это поле функционирует при участии полей 18 и 19. Послед­ние, взаимодействуя с полем 17, обеспечивают точное дифференцирование зрительных раздражителей.

Очень важным обстоятельством в исследованиях фос­фенов является их воспроизводимость при повторных раздражениях.

Краузе (1924) был, видимо, первым из исследовате­лей, отметившим, что при электростимуляции определен­ных точек зрительной коры у пациента возникает фосфен в виде маленького светового пятна в соответствующем участке поля зрения.

Форстер (1929) отмечает, что прямое раздражение участков зрительной коры вызывало фосфены, которые проецировались в различные участки пространства и проекции фосфенов полностью соответствовали учению о проекционных отношениях в зрительном анализаторе. Это очень важное обстоятельство. Из исследований по адекватному раздражению глаза светом твердо установ­лено, что в коре существует ретинэтопическое представи­тельство полей зрения, т. е. раздражение определенных участков сетчатки приводит к возбуждению строго опре­деленных участков зрительной коры. Теперь же, из иссле­дований по фосфенам, было показано, что и обратное дей­ствие, т. е. электрическое раздражение определенных участков зрительной коры, вызывает зрительное ощуще­ние в определенных участках поля зрения.

Все, что говорилось выше о фосфенах, относилось к зрячим пациентам, но иногда среди нейрохирургических больных встречались и слепые (или частично слепые) люди. Некоторые исследователи описывают фосфены, полученные при стимуляции их зрительной коры. Так, например, исследования Краузе и Шума (1931) были вы­полнены на пациенте, который в течение восьми лет страдал полным односторонним выпадением поля зрения. Тот факт, что раздражение некоторых точек зритель­ной коры приводило к возникновению зрительных ощу­щений в различных участках слепой половины поля зре­ния, убедительно свидетельствовал о сохранении функ­ций зрительной коры после многих лет слепоты.

В сущности, такие же важные факты были получены доктором Урбаном (1937) на пациентах, ослепших за несколько месяцев до проведения операций. Все 6 боль­ных при электрической стимуляции зрительной коры видели круглые фосфены, часто окрашенные в разные цвета.

Обнаруженные на слепых пациентах фосфены говори­ли о многом. И вот почему. После наступления слепоты (а она начинается вследствие повреждения или необра­тимых патологических изменений сетчатки) происходит перерождение зрительного нерва, а также подкорковых центров. О наличии возникающих нарушений в корковом отделе зрительного анализатора мнения расходились, не­которые авторы считали, что функции зрительной коры сохраняются и после многих лет слепоты. Исследования по вызыванию фосфенов свидетельствуют в пользу этой точки зрения. О физиологических механизмах, ответ­ственных за сохранение жизненных функций зрительной коры, мы расскажем позже.

Переходя снова к истории изучения фосфенов, следу­ет сказать, что упомянутые выше авторы хотя и описали очень важные закономерности возникновения фосфенов, но не ставили перед собой каких-то практических целей для оказания помощи слепым.

Новый период исследований начался с работ англий­ских ученых Бриндли и Левина из Кембриджского уни­верситета (1968). Эта классическая работа дала толчок не только новым исследованиям фосфенов, но и заложи­ла теоретические основы зрительного протезирования. Поэтому остановимся на ней подробнее.

В 1967 г. пациенту 52 лет, ослепшему от глаукомы и отслойки сетчатки, на добровольных началах в зритель­ную кору правого полушария были вживлены 80 плати­новых электродов (каждый диаметром 1,2 мм), которые располагались в затылочной части коры. Кроме того, над электродами под кожей зашивались 80 миниатюрных радиоприемников. Каждый приемник был связан с соот­ветствующим электродом проводом. Радиоприемники по­лучали питание и команды посредством индуктивности от внешних передатчиков, подводимых вплотную к голо­ве пациента.

Таким образом, электроды и приемники вживлялись надолго, они были неподвижны относительно черепа и друг друга. Операция по их вживлению проводилась стерильно и инфекционные воспаления кожи и мозга в дальнейшем не возникали.

Прежде всего надо сказать о том, что раздражение мозга в течение двух лет (пока стояли электроды) не причиняли пациенту вреда и боли (в мозге вообще нет болевых окончаний). По ходу исследования пациент ри­совал или регистрировал появление в определенных частях поля фосфенов, вызываемых стимуляцией коры через тот или иной электрод. При электрическом раздра­жении зрительной коры через каждый электрод в отдель­ности у пациента возникало ощущение в виде фосфена, описываемого как «очень маленькое пятно белого цвета, напоминающее звезду в небе и имеющее размер зернышка саго». Фосфены возникали всегда в определенных пунктах левой половины зрения. Составленная карта фосфенов показывает, что они занимают довольно правильное, упорядоченное место в поле зрения. Это примерно соот­ветствует классической ретинотопической схеме проекции: электроды, расположенные сзади поля 17, дают централь­ные фосфены, а расположенные впереди — перифериче­ские. Ни один из электродов не давал фосфенов в боко­вой части поля зрения, что и следовало ожидать, так как боковая часть поля зрения проецируется з глубину шпор­ной борозды, расположенной между полушариями, и хи­рургический доступ туда затруднен.

Бриндли и Левин установили, что фосфены были устойчивыми, их можно воспроизводить многократно при последующей стимуляции.

Весьма важной деталью исследования было то, что если в момент электрической стимуляции пациент пово­рачивал голову и глаза, то фосфены также перемещались в поле зрения на расстояние, пропорциональное углу по­ворота. Все без исключения фосфены у этого пациента были белыми, не окрашенными в цвета.

В работе Бриндли и Левина были определены основ­ные параметры тока, необходимого для возникновения фосфенов: раздражение производилось прямоугольными импульсами частотой 50—100 Гц, длительность одного импульса была 0,001 с и сила тока равнялась 0,002— 0,004 А. Очень существенным было то, что одиночный им­пульс обычно не вызывал фосфена, для его возникнове­ния нужно минимум 3—4 импульса, а лучше всего — це­почка или пачка импульсов общей длительностью 0,3— 0,5 с.

Для протезирования зрения очень важен факт, уста­новленный в работе английских ученых: яркость фосфена мало зависела от частоты и длительности стимулов, но была пропорциональна их амплитуде. Это было важной находкой, т. к. позволяло установить, что в будущих про­тезах одно из наиболее важных свойств светового раз­дражителя можно выразить через амплитуду подавае­мых в кору электрических импульсов.

В работе был установлен еще ряд важных фактов. Так, оказалось, что пациент был способен различать фос­фены, возникающие на соседних электродах с минималь­ным расстоянием между ними в 2,4 мм.

Но, пожалуй, самым интересным с практической точ­ки зрения наблюдением было то, что при одновременном электрическом раздражении через несколько электродов возникали многоточечные фосфены. Исходя из того, како­во их расположение в поле зрения, можно было путем раздражения тех или иных электродов набирать более простые или более сложные фигуры, и пациент восприни­мал их. При использовании различных комбинаций электродов удалось получить фосфены в виде вопроси­тельного знака, букв VZ.

Логическим продолжением рассмотренных выше ис­следований явилась новая работа Бриндли (1973). На этот раз пациентом-добровольцем был 64-летний мужчи­на, ослепший 30 лет назад. В затылочные области обеих полушарий ему были вживлены электродные блоки, в каждом по 65 электродов.

В ходе исследований было обнаружено, что фосфены у этого пациента были гораздо крупнее по размеру, чем у первого, и к тому же они были расплывчатыми. Кроме того, чтобы получить отдельные фосфены с разных элек­тродов, они должны были отстоять друг от друга гораздо дальше, чем 2,4 мм (как в первом случае). Видимо, все эти отличия были связаны с длительной слепотой паци­ента.

Слепого пробовали обучать чтению шрифта Брайля. Для этих целей выбирались 6 ярких фосфенов, взаимное геометрическое расположение которых позволяло в опре­деленном приближении воспроизводить буквы из алфа­вита Брайля. При одновременном предъявлении состав­ляющих букву фосфенов процент правильного узнавания составлял 56%. Если же фосфены возникали последова­тельно, пациент правильно определял 79% букв.

Ранее все время говорилось об исследовании раздра­жения зрительной коры мозга за рубежом. В СССР это направление по исследованию восстановления сенсорных функций также быстро развивается. До 1975 г. работы по введению зрительной информации в кору головного моз­га и изучению с этой целью ее функций велись в модель­ных опытах на животных на кафедре физиологии Ростов­ского университета и на кафедре физиологии высшей нервной деятельности МГУ.

В частности, группа исследователей Ростовского уни­верситета под руководством А. Б. Когана и Е. Б. Ком­панейца установила, что если у кошек выработать условные рефлексы, скажем, нажима на рычаг на опре­деленные фигуры (крест, квадрат), подаваемые в определенных участках поля зрения, а затем раздражать зри­тельную кору кошек в том месте, куда проецируются эти поля зрения с помощью электродов, составляющих такие фигуры, то кошки мгновенно нажимают лапой на педаль. Таким образом, кошкам до некоторой степени все равно, будет ли это световое раздражение или фосфены в том месте поля зрения, где присутствовал условный стимул. Эта группа также много работала над исследованием того, как ввести максимум информации в зрительную ко­ру через минимальное количество электродов.

В 1975 г. в Институте нейрохирургии АМН СССР группе ученых во главе с К. Я. Селезневым и А. Р. Шах­новичем впервые в СССР удалось получить фосфены при нейрохирургических операциях и детально описать их.

Дальнейший шаг в этом направлении был сделан в Ростове совместными усилиями нейрохирургов Ю. Г. Се­рикова и С. И. Джинджихашвили и физиологов Е. Б. Ком­панейца и В. В. Петровского. Новым в их работе было то, что пороги возникновения фосфенов были много ни­же (0,0001—0,0006 А), чем в других работах. Авторы объясняют это тем, что раздражение производилось че­рез спаренные (биполярные) электроды. Было также установлено, что яркость фосфенов зависела от длитель­ности одиночных электрических импульсов в диапазоне 0,0001—0,001 с.

Восстановление зрения у слепых (как и вообще сен­сорных функций у инвалидов) — несомненно комплекс­ная проблема, она стоит на стыке нейрофизиологии, ме­дицины, биофизики, электроники, психологии.

Исследования группы специалистов под руководством биофизика Добелла (США) шли по двум направлениям: физиологическому — исследованию фосфенов у пациен­тов; техническому, связанному с построением прототипа зрительного протеза на основании полученных физиоло­гических данных.

По физиологии фосфенов исследования проводились попутно при нейрохирургических операциях в разных го­родах США и Канады. Методика исследования была при­мерно той же, что и в работах доктора Бриндли. Все па­циенты в основном были зрячими людьми.

Из наиболее оригинальных фактов, полученных в ра­ботах этой группы, датированных 1974—1975 гг., следует выделить следующие.

  1. Наиболее эффективным участком коры для вызы­вания фосфенов является поле 17 (самая первичная про­екционная зрительная зона коры).
  2. Пороги возникновения фосфенов не зависят от раз­мера раздражающих электродов.
  3. Если зрительную кору стимулировать непрерывно, то через 10—15 с такой постоянной стимуляции фосфены затухают.
  4. Авторы отмечают, что расположение фосфенов в по­ле зрения только грубо соответствует классической кар­теретинотопических проекций. Это наблюдение сильно отличается от предыдущих аналогичных работ.
  5. Пациенты могли различать фосфены, вызываемые стимуляцией через электроды сечением 1 мм2и расстоя­нием между их центрами в 3 мм.
  6. Раздражение сильным током даже через один элек­трод может давать множественные фосфены.

Другая часть физиологических исследований каса­лась двух слепых добровольцев. Один пациент ослеп 7, а другой — 28 лет назад. Существенным в анализе фос­фенов было то, что электрическое раздражение произво­дилось через 64-канальный стимулятор, контролируемый портативной ЭВМ РДР-8. Ответы пациента и параметры стимуляции автоматически записывались на телетайпе и магнитной ленте.

Эти исследования, очень важные для построения зри­тельных протезов, выявили, что чем больше срок слепо­ты, тем большие токи нужны для появления фосфенов. Кроме того, как и в работе Бриндли, фосфены у хрониче­ски слепых были больше по размеру (по сравнению со зрячими), были склонны к мерцаниям и менее выражены в цвете.

Наконец, после выключения раздражения фосфен мог ощущаться до 1 мин и более.

У слепых пациентов с помощью ЭВМ была составле­на карта фосфенов. В дальнейшем согласно этой карте опять же с помощью ЭВМ можно было через электроды «набирать» в сознании пациентов разные фигуры: квад­рат, треугольник и другие фигуры. При последователь­ном раздражении точек пациент опознавал тот или дру­гой контур.

Итак, даже после многих лет слепоты у пациентов удалось не просто вызвать отдельные фосфены, но и составить из них разные фигуры, как и у зрячих пациентов. Следовательно, зрительная кора живет и рабо­тает!

Здесь необходимо сказать, почему же сохраняются ос­новные функции зрительной коры у слепых и чем все-та­ки ее работа отличается от нормы?

Многочисленные опыты по выключению зрения на животных сходятся на том, что в ходе депривации (лише­ния зрения) уменьшается количество микроскопических отростков (шипиков) на воспринимаемых разветвленных поверхностях нервных клеток (дендритах). Уменьшается и количество синапсов — соединений нервных окончаний с клетками. Происходит и более сложная перестройка взаимоотношений клеток в зрительной коре. Опыты на новорожденных животных показали, что к моменту рож­дения животного в его зрительной коре уже есть набор клеток — детекторов различных свойств предмета. Послед­нее требует пояснения.

Американские ученые Хьюбел и Визель открыли, что клетки в зрительной коре почти не отвечают на общее освещение глаза, но реагируют лишь на специфические для них стимулы: одни клетки — лишь на узкую полосу, расположенную под определенным углом к оси глаза, другие — на угол, образованный двумя линиями, тре­тьи — на полосу, движущуюся в определенном направ­лении, и т. д. Природа создала такой набор детекторов, видимо, для того, чтобы как можно быстрее «расчленить» любой предмет по основным его параметрам (элементам формы, цвету, движению, яркости). Все это, по-видимо­му, происходит в первичной зрительной зоне — поле 17 и затем уже зрительный образ «собирается», формирует­ся во вторичных и третичных зрительных зонах — полях 18 и 19. Хьюбел и Визель также установили, что детек­торы, «настроенные» на один признак предмета в данном месте коры, образуют колонку по ее вертикали, т. е. сгруппированы определенным образом.

Так вот, повторим, что набор клеток-детекторов к мо­менту рождения у животных (и у человека тоже!) уже есть. Однако, по мнению многих ученых, для развития и реализации свойств этих клеток необходим жизненный опыт. Существует такое понятие, как «чувствительный пе­риод развития». У кошек он равен 28 дням, у крыс — око­ло 30, у человека же по ряду данных он растягивается до одного — трех лет. Если в этот период жизненного зри­тельного опыта не было (хотя бы и на короткие периоды), то клетки-детекторы в значительной мере теряют свои функции, их свойства становятся неопределен­ными.

Существенно, что если слепота наступает с момента рождения и в начале чувствительного периода, то клеток-детекторов в коре мало, если же слепота наступает в лю­бом возрасте после этого периода, то в зрительной коре существует полный набор детекторов.

По данным различных авторов, после многолетней слепоты в зрительной коре мозга остается от 30 до 60% работающих клеток. За счет чего это происходит? Выска­зывается предположение, что в этом случае деятельность нейронов поддерживается за счет влияния со стороны не­зрительных структур. Чтобы понять это, надо детально знать свойства нормальных нейронов зрительной коры. В наших опытах на кафедре высшей нервной деятельно­сти МГУ исследовались ответы одиночных нервных кле­ток зрительной коры кролика на свет, звуковые щелчки и легкие электрокожныеприкосновения. В результате оказалось, что довольно многие клетки зрительной коры отвечают на звук (28%) и на электрокожный стимул (61%). Интересно, что около 47% клеток зрительной ко­ры бимодальны, т. е. отвечают не только на свет, но и на один из незрительных стимулов, а 33% отвечают на все 3 вида стимулов.

Обнаруженная в наших опытах широкая конверген­ция (схождение) импульсов разных модальностей на нейронах зрительной коры может свидетельствовать о развиваемой в самое последнее время гипотезе о много­мерном, многомодальном восприятии стимула в проекци­онных зонах коры. Таким образом, касаясь еще раз со­хранности 30—50% клеток у ослепших много лет назад людей, следует, видимо, считать, что это происходит за счет остаточного действия незрительных структур и от­делов, ответственных за поддержание определенного то­нуса у человека и животных.

Вообще следует подчеркнуть, что любой зрительный образ, создаваемый в сознании зрячих людей, не являет­ся, вероятно, чисто зрительным. Ему обязательно будут присущи «звуковые», «тактильные», «моторные» черты. Не должны быть чисто «фосфенными» и образы у людей со зрительными протезами. Нужно стремиться к тому, чтобы сделать эти образы полимодальными, комплексны­ми. Именно тогда они будут более устойчивыми и смогут восприниматься слепыми как что-то более естествен­ное для организма.

Теперь несколько слов о том, насколько функциональ­но зрительная кора слепого отличается от зрячего.

Уже отмечалось, что у ослепших людей фосфены ста­новятся больше по размеру и менее очерченными, они мерцают, хуже выражены в цвете. О чем это говорит? По мнению советских исследователей Л. А. Новиковой и Н. Н. Зислиной, много лет работавших со зрительной ко­рой лишенных света животных, у последних слепота при­водит к нарушению нормальной работы тормозных меха­низмов. А известно, что тормозные механизмы играют громадную роль как в деятельности зрительной коры, так и всех отделов мозга. В зрительных процессах торможе­ние, например, отделяет один сигнал от другого во вре­мени, позволяет при увеличении освещения сузить грани­цы рецептивных полей, что ведет к увеличению остроты зрения. Если у слепых механизм торможения нарушен, то становятся понятными и необычные, характерные для них фосфены. Так, увеличение размеров фосфенов и их «размытости» свидетельствуют как раз об ослаблении торможения, мерцание фосфенов говорит также о нару­шении правильного соотношения между возбудитель­ными и тормозными процессами. В последнем случае это ведет к инерции процесса, к затруднению его оста­новки, что также коррелирует с тем, что фосфены у сле­пых после выключения тока могут восприниматься до 2 мин.

Итак, мы рассмотрели особенности физиологических процессов в зрительной коре слепых людей. Но мы пока не затрагивали вопроса, как же объяснить возникновение самих фосфенов? Сейчас как раз подошло время сделать это.

Из исследований фосфенов известно, что при раздра­жении разных участков коры получается набор хотя и до­статочно разнообразных, но вполне сравнимых и сопоста­вимых простых зрительных образов: вспышек света, пры­гающих огоньков, звезд, колес, дисков, искр и т. д.

Возможным субстратом таких фосфенов, с нашей точ­ки зрения, могут быть колонки, столбцы нейронов, обна­руженные в зрительной коре Хьюбелом и Визелом (о них шла речь раньше) и, пожалуй, не просто колонки, а «ги­перколонки», описанные этими же авторами впослед­ствии. Такая«гиперколонка», имеющая диаметр 1,0—1,5 мм по поперечнику коры, состоит из более элементар­ных колонок, в каждой из которых расположены нейроны с одинаковой ориентацией рецептивных полей. Одним словом, в гиперколонке имеется набор нейронов «на все случаи жизни»: здесь и набор колонок с разной ориента­цией рецептивных полей, и набор детекторов цвета, ин­тенсивности, бинокулярности, движения и т. д. Ощуще­ние формы фосфена, видимо, зависит от того, какую ко­лонку или группу колонок раздражает электрод.

Возможно, в дальнейшем, по мере того как будет по­дробно изучена связь структуры зрительной коры с ее функцией, можно будет ставить электроды, чтобы вызы­вать определенные фосфены. Или может быть другой ва­риант — через один и тот же электрод, используя разные формы электрических стимулов, вызывать разные фосфе­ны. Правда, последний способ, если исходить из того, что известно на сегодняшний день по фосфенам, трудноосу­ществим.

Хотелось сказать еще несколько слов об использова­нии фосфенов при раздражении первичных и вторичных зрительных зон. Казалось бы, для восстановления зрения выгоднее было бы раздражать вторичные зрительные зо­ны, т. к. там возникают более сложные фосфены и даже какие-то оформленные образы. Однако, как показал опыт, для составления каких-то фигур нужны именно элементарные фосфены в виде точек. Этих фосфенов нуж­но как можно больше, чтобы, образно говоря, высветить на своеобразном табло те или иные буквы, те или иные картины. На основании новейших морфологических дан­ных (Стенсаас с соавторами, 1974) в среднем вся зри­тельная кора человека занимает площадь 2500 мм2, при этом на поверхности полушарий лежит лишь 33% этой коры, а 67% спрятано на внутренней поверхности в пре­делах шпорной борозды. Открытая кора занимает полос­ку в 5 см длиной. На ней, по теоретическим расчетам, можно разместить протез длиной 3,8 см (примерно 150— 200 электродов), он будет покрывать до 94% открытой поверхности зрительной коры, и это будет соответство­вать от 25 до 50° зрительного поля, т. е. слепой будет «воспринимать» достаточно большое пространство пе­ред ним.

Какова же конструкция зрительного протеза и что сде­лано сейчас? Надо сказать прежде, что дальше всего в практическом направлении продвинулась группа доктоpa Добелла в США. Эта группа и опубликовала разрабо­танную ей конструкцию протеза.

Первая составная часть протеза — искусственный глаз, содержащий матрицу светочувствительных элемен­тов, должен располагаться в глазнице и прикрепляться к оставшимся глазным мышцам (крепление глаза к мыш­цам позволяет скомпенсировать перемещения фосфенов, возникающих при движениях глаз). В матрице находится специальный светочувствительный кристалл. Снабжен­ный разъемом кабель соединяет «глаз» с миниатюрным компьютером для обработки входных данных, располо­женных в оправе декоративных очков (компьютер этот сделан на базе самых современных достижений электро­ники и поэтому столь миниатюрен).

Последовательность данных с микроЭВМ поступает по кабелю к приемнику и другим схемам, вживленным между кожей головы и костями черепа. Эта передача осу­ществляется путем индуктивной связи между катушка­ми, расположенными по обеим сторонам кожи. От прием­ников сигналы поступают уже непосредственно на плати­новые электроды, вживленные в зрительную кору.

В лабораториях многих стран ведется большая рабо­та по изысканию материалов для электродов, которые были бы безвредны для мозга и не изменялись при дли­тельной электростимуляции мозга. Идеальные материа­лы не найдены, наиболее пригодными на сегодняшний день оказались электроды, сделанные из сплава: 90% платины и 10% иридия.

Сейчас уже просматривается некоторая последова­тельность этапов «примерки», «прилаживания» зритель­ного протеза к данному человеку.

Прежде всего для каждого пациента составляется карта фосфенов. Цель построения карты состоит в нахо­ждении таких электродов, раздражение которых даст ощущение каких-то фигур: линии, квадрата, букв.

Врач-исследователь старается получить как можно больше фигур путем раздражения различных комбина­ций электродов. Все эти комбинации и фигуры вводятся в память микроЭВМ.

Представим себе, как передается изображение в мозг. Световые сигналы попадают в искусственный «глаз», пре­образуются в электрические импульсы, и образованные в «глазе» фигуры сравниваются с имеющимися в памяти ЭВМ фигурами. При совпадении фигур ЭВМ дает команду на раздражение тех или иных электродов. Надо ска­зать, что информация передается кадрами, в каждом кадре команды последовательно подаются на группы из восьми электродов. Частота кадров меняется от 0,3 до 32 в секунду. Между каждым кадром делается промежу­ток от 0,05 до 1 с, чтобы нервные клетки, возбужденные во время предыдущего кадра, могли отдохнуть.

В этом протезе предусмотрена обратная связь, позво­ляющая контролировать выходные импульсы и регулиро­вать яркость и контрастность фосфенов самими пациен­тами.

Еще года 2—3 назад казалось, что протез будет соз­дан быстро и внедрен в практику. Но жизнь внесла кор­рективы. Оказалось, что нужны еще дополнительные ней­рофизиологические работы по изучению фосфенов. Мно­гое еще предстоит решать. В частности, совсем не ясно, как сделать так, чтобы фосфены информировали пациен­та о расстоянии до объектов, о перемещении объекта, об объемности пространства.

Эти стороны восстановления зрения усиленно иссле­дуются у нас в стране и за рубежом с тем, чтобы в буду­щем создать надежный зрительный протез, помогающий слепым не только ориентироваться в пространстве, но и действительно видеть мир.

Параллельно с развитием исследований по восстанов­лению зрения шли изыскания в области восстановления слуха у глухих. Глухота довольно широко распростране­на в мире. В США, например, около 17 млн. человек стра­дает глухотой в той или иной степени. У 5 млн. человек потеря слуха связана с повреждением слухового нерва или внутреннего уха. Таким людям можно помочь только с помощью слуховых протезов (не слуховых аппаратов, которые усиливают звук, а именно протезов).

Короткое отступление о составе слухового анализато­ра. Известно, что звук, попадая в ухо, давит на барабан­ную перепонку и через систему косточек среднего уха давление передается на мембрану овального окна вну­треннего уха, которая выгибается и вызывает перемеще­ние заполняющей улитку жидкости (перилимфы). При этом раздражаются волосковые рецепторные клетки, на­строенные на определенные звуковые частоты. Отрост­ки этих клеток составляют слуховой нерв. Пройдя через несколько ядер, где происходит переключение импульсов с клетки на клетку, слуховая информация попадает во внутреннее коленчатое тело, а оттуда — в слуховую кору, где происходит окончательный анализ слуховых сигна­лов.

Итак, слуховые протезы. Здесь четко следует разли­чать две категории пациентов: один — с повреждением внутреннего уха, рецепторов, но слуховой нерв еще жи­вет, функционирует; другие — это те, у которых слуховой нерв отмирает, остаются работающими (как и у слепых) в основном проекционные зоны коры (в данном случае слуховая кора).

Больных первого рода значительно больше, чем вто­рого, и основные усилия ученых были направлены на то, чтобы создать протез во внутреннем ухе, раздражать электрическим током слуховой нерв. Больным с полным поражением нерва может помочь только раздражение слуховой коры.

В последнее десятилетие построены и вживлены пер­вые слуховые протезы во внутреннее ухо, в улитку. Это работы Дойля с соавторами, Симмонса, Хаузе с соавто­рами, Михельсона с соавторами, Младейовского с соав­торами и других.

В сущности, хотя и существуют различия в методиках установки электродов, принцип один: вживить электро­ды (один или несколько, обычно это платиновые электро­ды с шариком на конце) в улитку и вывести проводнички в определенное место под кожей, куда вживлены также приемные устройства. Подводя снаружи передающее устройство, можно вызвать индуктивное возбуждение в приемнике и тем самым стимулировать нервную ткань через электрод.

Каковы же эффекты такого раздражения? Для про­стоты картины начнем с одного электрода. Раздражение обычно производится током синусоидальной формы или прямоугольными импульсами. Пациенты способны узна­вать многие звуки из окружения.

Надо сказать, что буквально все авторы, работавшие с этими протезами, в один голос говорят, что различение сложных звуков затруднено, а распознавание речи прак­тически невозможно. Но очень важно, что при использо­вании такого протеза явно облегчается распознавание слов по движению губ. Видимо, все-таки какая-то допол­нительная информация о словах в мозг проходит, но она как бы «подпороговая», и может помочь лишь в сочета­нии с другой информацией о словах — зрительной.

Мнения исследователей сильно расходятся по вопро­су о том, можно ли достичь различения тона с помощью не самого сигнала, а с помощью места, куда помещен электрод в улитке. Одни авторы (Младейовский с соавто­рами, Симмонс, Хаузе и Урбан) считают, что место на улитке имеет большое значение в восприятии сигнала. Сигналы одной частоты могут восприниматься пациен­том как разные — в разных участках улитки — внутрен­него уха. Другие авторы (Михельсон и его группа) счи­тают, что место улитки здесь ни при чем, любые точки дают примерно один и тот же эффект.

В сущности, если подтвердится положение о том, что раздражение разных частей нервных окончаний в улитке может помочь различению тона, то открываются перспе­ктивы в построении реального слухового протеза. Разме­щая по всей поверхности улитки как можно больше элек­тродов, можно опять же с помощью микроЭВМ и обуче­ния глухого пациента различать и сложные звуки и, самое главное, речь, тем самым восстановить слуховую функцию.

Исследований пациентов с полным поражением слу­хового нерва насчитывается очень мало. Здесь надо сно­ва отметить работы доктора Добелла и его группы. Эти авторы ввели термин «аудены» по аналогии с фосфенами. Пациенты воспринимали раздражение слуховой коры как «жужжание», «гудение», «удары», «пение сверчка» и т.д. Очень существенно, что пациент чувствовал изменение тона при изменении позиции электрода на слуховой коре. Словом, работы над слуховыми протезами находятся еще в начальной стадии исследования, и предстоит еще мно­го сделать, чтобы создать реальный протез, восстанавли­вающий слух у глухих. Эти работы перспективны.

Подводя итоги, можно сказать, что сейчас рождается новая отрасль науки — наука о восстановлении сенсор­ных функций. Исследования продолжаются, и можно на­деяться, что в недалеком будущем (жизнь иногда удиви­тельнее самых оптимистических прогнозов) настоящие сенсорные протезы будут созданы.

Л ИТЕРАТУРА

Супин А. Я. Нейронные механизмы зрительного анализа. М., Наука, 1974.

Шуранова Ж. П. Исследование элементарных рабочих меха­низмов в коре больших полушарий. М., Наука, 1977.