Снова звуколокация?

Рассказывая о звуколокации животных, мы предположили, что органы звуколокации позволяют как бы "видеть" ушами.

А человек? Может ли он ориентироваться в окружающем пространстве при помощи слуха?

Отвечая на этот вопрос, мы прежде всего должны обратиться к собственному опыту. Он ясно говорит нам, что мы не знаем никаких слуховых образов шкафа, стула, книги, настольной лампы и многих других молчащих предметов. Но дерево мы всегда узнаем по шороху листьев, море - по шуму прибоя, автомобиль и самолет - по гулу мотора. Даже кухонную замарашку - сковородку - мы узнаем, когда она урчит, поджаривая нам яичницу или румяную картошку. Есть слова в русском языке и в языках всех других народов, основанные на звукоподражании: кукушка, барабан, визг, лай и множество других. Мы узнаем по голосу родных и знакомых, певцов и радиодикторов; различаем голоса птиц и зверей. Более того, мы всегда можем сказать, в каком направлении находится источник звука, и, правда приблизительно, определяем расстояние до него. Словом, слух позволяет всем нам опознавать и определять положение окружающих нас звучащих объектов.

Первым, кто серьезно попытался изучить способность слуха определять направление на источник звука, был итальянский физик Джованни Баттиста Вентури (1746-1822). Вентури был разносторонним ученым. Помимо физики, он изучал зрение и слух, политическую экономию, историю и даже занимался политикой. Его имя хорошо известно авиаторам и гидродинамикам - один из приборов для измерения потока воздуха и потока жидкости называется "трубка Вентури".

Свои исследования пространственного слуха Вентури начал с простейшего опыта. При желании любой из вас может повторить его.

В центре круга радиусом около 50 метров он ставил человека с завязанными глазами, а сам перемещался по окружности и, остановившись в том или ином месте, звонил в колокольчик или издавал свист при помощи флейты. Человек в центре круга должен был указывать направление, откуда доносился звон или звук флейты.

Снова звуколокация

Сразу же выяснились неожиданные факты. Человек в центре круга безошибочно узнавал направление только в тех случаях, когда Вентури стоял точно с левого или с правого бока. Когда же он стоял точно сзади или лицом к лицу с испытуемым, тот мог правильно определять направление, только поворачивая слегка голову из стороны в сторону. Если же ему не разрешалось поворачивать голову, то он не мог с уверенностью сказать, откуда пришел звук: сзади или спереди. Ошибался он и в тех случаях, когда звук приходил под углом 45° сзади и 45° спереди.

Дальнейшие опыты позволили Вентури установить еще один важный факт. Он выяснил, что глухие на одно ухо могут определять направление звука только в том случае, когда звук длится достаточно долго и человек успевает повернуть в его сторону здоровое ухо. Определять направление кратковременного звука глухие на одно ухо не могут. Ученому стало ясно, что истинным пространственным слухом обладают только люди, одинаково слышащие обоими ушами.

Явление пространственного слуха^* Вентури объяснил просто: звук, попадающий в уши, не одинаков по силе; сила звука больше, хотя и на очень малую величину, в том ухе, которое ближе к источнику звука. Даже ничтожного различия в силе звука достаточно, чтобы определять направление.

^* (Явление пространственного слуха называется "бинауральный эффект", то есть эффект двух ушей.)

О работах Вентури в области исследований слуха скоро забыли. Только через пятьдесят лет после его смерти отец современной акустики - знаменитый английский ученый лорд Джон Рэлей, видимо не знавший о работе Вентури, проделал примерно такие же опыты и пришел к тем же самым выводам.

И снова в изучении слуха настала пауза.

В самом начале нашего века один немецкий врач изобрел остроумный способ обследования слуха, позволивший безошибочно уличать людей, симулировавших глухоту на одно ухо. Этот способ и ныне успешно применяется медиками. Его суть очень проста. Мы знаем, что если человеку со здоровым слухом подводить один и тот же звук отдельно к каждому уху - например, с помощью наушников, - он все равно будет ощущать его как единый звук. Точно так же будет ощущать звук и симулянт: слышать иначе не в его воле. Но человек, действительно глухой на одно, скажем правое, ухо, будет слышать только, когда звук есть в левом наушнике. Если звук в левом наушнике выключить и оставить только в правом, такой человек скажет, что он ничего не слышит. То же самое скажет и симулянт. Но если врач лишь ослабит звук в левом наушнике, а не выключит его совсем, ответы действительно глухого на правое ухо человека и симулянта будут разными. Первый скажет, что он слышит слабый звук в левом наушнике. А обманщик тотчас попадется. Когда звук в левом наушнике станет слабее, чем в правом, ощущение будет точно таким же, как если бы звук приходил только из правого наушника, и притворщику волей-неволей придется сказать, что он ничего не слышит. Обмануть врачей не сможет и самый хитрый симулянт, даже если ему доведется из этой или какой-нибудь другой книги узнать о методике обследования.

Кот и мышки

Объяснение пространственного слуха, данное Рэлеем, просуществовало неизменным тоже около полувека. Только перед первой мировой войной были высказаны предположения, что мы определяем направление прихода звука не по различию громкости, а по различию времени его прихода в левое и правое ухо. Звук имеет скорость 330 метров в секунду. Размеры головы человека очень невелики, и поэтому даже для звука, приходящего точно сбоку, разница во времени прихода в ближнее и дальнее ухо составляет всего 0,0005 секунды. Мы способны определять направление звука с точностью до 3°. При этом запоздание становится ничтожно малым - всего 0,000025 секунды.

Новое объяснение пространственного слуха было встречено с недоверием. Ученые считали, что уловить столь ничтожную разницу во времени нервная система не сможет. Когда началась первая мировая война, французской и немецкой армиям срочно потребовались звукоулавливатели для обнаружения самолетов, звукопеленгационные станции для отыскания замаскированных вражеских батарей и гидроакустические приборы для подводных лодок. Чтобы создавать и совершенствовать эти приборы, были необходимы новые точные данные о свойствах пространственного слуха. Французские и немецкие ученые в глубокой тайне начали исследовать слух человека. Тогда-то и подтвердилась новая гипотеза о пространственном слухе. Опыты показали, что человек действительно различает разницу во времени прихода звука в левое и правое ухо. Это не значит, что он может сказать, в какое из ушей звук пришел раньше, в какое - позже; изменения в различии времени прихода звука ощущаются как изменения в направлении его прихода.

Благодаря этим опытам, которые после окончания первой мировой войны рассекретили, ученые поняли, что в центральной нервной системе существует некий очень тонкий и чувствительный механизм, позволяющий определять направление прихода звука. Но приступить к детальным исследованиям удалось только тогда, когда радиоэлектроника снабдила ученых совершенной электроакустической аппаратурой и чувствительными приборами для регистрации электрических процессов в нервных клетках.

Однако приборы не могли сами по себе дать ученым ответа на интересующий их вопрос. Необходимо было понять, что, собственно, предстоит исследовать в нервной системе; следовало разработать методику экспериментов. К счастью, это оказалось не очень трудным делом. Требовалось лишь немного изменить и дополнить известную вам методику обличения симулянтов.

Исследования бинаурального слуха с помощью электронных приборов начались в тридцатые годы нашего столетия, но только в самом начале шестидесятых годов физиологам удалось успешно провести опыты, приоткрывающие завесу над тайной бинаурального слуха.

Эти опыты проводились на наркотизированных кошках. В отличие от людей, подопытные животные не могут отвечать на вопросы исследователей и сообщать о своих ощущениях. Да ощущения и не интересовали ученых. Их главной целью было понять процессы в нервной системе, в слуховых долях больших полушарий головного мозга.

Прежде чем приступить к описанию опытов, мне хочется обратить ваше внимание на один факт, который неизменно приводит в глубокое удивление всех, кто узнает о нем впервые. Он заключается в том, что левой половиной тела заведует правая сторона мозга, а правой - левая сторона^*. Почему это так, пока еще никто толком не объяснил.

^* (Следует запомнить, что это утверждение верно лишь в общем. Фактически дело обстоит гораздо сложнее.)

Теперь займемся опытами.

Итак, кошка в сурдокамере. Ей дают наркоз, и она засыпает. Затем в уши ей вставляют специальные наушники, подключенные к генератору токов звуковой частоты, а в слуховые доли больших полушарий мозга вводят электроды, связанные с электронными усилителями, осциллографами для наблюдений и самописцами, вычерчивающими кривые на бумажной ленте.

Подготовка окончена. Все приборы включены, но звука в наушниках еще нет: по экрану осциллографа для наблюдений параллельно друг другу бегут яркие голубые точки, а за ними тянутся медленно-медленно угасающие следы - две прямые, параллельные линии.

Начали! Подаем в левый наушник кратковременный звуковой сигнал. И тотчас яркие голубые точки на экране осциллографа и перья пишущего осциллографа изменяют свой путь. Они ползут вверх, задерживаются некоторое время у вершины, а потом снова спускаются вниз до первоначального уровня. Вместо двух параллельных прямых на экране светятся две изогнутые линии - изображение электрических импульсов, возникших в слуховых долях мозга в ответ на раздражение слуха.

Но почему ответ возникает в обеих долях? Ведь левым ухом заведует правая доля. На этот вопрос мы не станем сейчас отвечать, но запомним его. А пока давайте внимательно изучим кривые. На экране наблюдательного осциллографа они уже угасли, но у нас есть бумажная лента, на которой вычерчены те же самые кривые. Оказывается, оба импульса одинаковы по форме, но их величина различна: импульс в правом полушарии (он ведает левым ухом) заметно больше, чем импульс в левом.

Какими же будут отклики, если мы подадим звуковой раздражитель только в правое ухо?

Подаем звук. И снова все повторяется, с той лишь разницей, что теперь больший импульс возникает в левом полушарии, а меньший - в правом. Как и прежде, на звуковой раздражитель откликнулись оба полушария.

Но если слуховые доли обоих полушарий отзывались при подаче звука только в одно ухо, они тем более должны отозваться на подачу звука в оба уха. В чем же будет разница?

Попробуем узнать это. Подадим звук не одновременно. Наш генератор токов звуковой частоты позволяет провести такой опыт. Мы поворачиваем ручку регулировки разности времени и устанавливаем ее ну хотя бы в положение + 0,0002 секунды. При этом звук в левом ухе будет опережать звук в правом точно на 0,0002 секунды.

Подаем звук. На экране действительно возникают два импульса. Импульс в правом полушарии уменьшился, а в левом увеличился в сравнении с тем случаем, когда мы подавали звук только в левое ухо; но все равно импульс в правом полушарии больше импульса в левом.

Повернем теперь ручку в положение - 0,0002 секунды. Теперь звук в левом ухе будет запаздывать точно на 0,0002 секунды, а импульсы на экране осциллографа как бы поменяются местами в сравнении с предыдущим опытом: в левом полушарии импульс станет больше, чем в правом.

И последний опыт. Мы подадим звук в оба уха строго одновременно, но сила звука в наушниках будет неодинаковой. Такой опыт даст примерно те же результаты, что и два предыдущих: импульсы появляются в обоих полушариях, импульс в правом полушарии больше, когда звук громче в левом ухе, и наоборот.

Звук через наушники подается в оба уха кошки. Из слуховых центров обоих полушарий мозга через усилители отводятся электрические потенциалы

Какие же выводы можно сделать из проведенных опытов?

Прежде всего мы можем ответить на вопрос: "Почему о ответ на раздражитель, поданный только в одно ухо, импульсы возникают в слуховых долях обоих полушарий?"

'Почему о ответ на раздражитель, поданный только в одно ухо, импульсы возникают в слуховых долях обоих полушарий?'

Правда, объяснение будет не полным, оно само вызывает новые и еще более сложные вопросы, ответа на которые современная наука еще не нашла. Но и такое объяснение немного приоткрывает завесу над тайной пространственного слуха.

Слуховые доли обоих полушарий головного мозга откликаются, потому что нервные проводящие пути слухового аппарата не просто перекрещиваются, направляясь от улитки левого уха в правое полушарие, а от улитки правого - в левое, но и разветвляются, а также каким-то образом соединяются между собой. Точные карты нервных путей показывают, что такие разветвления и соединения действительно существуют и даже не в одном, а в нескольких пунктах.

Бег нервных импульсов от улитки к мозгу можно уподобить эстафете с четырьмя промежуточными финишами. Старты эстафеты начинаются в левой и правой улитках. Последний финиш - в слуховых долях больших полушарий.

Странные правила у этой эстафеты. И, наверное, она была бы очень популярна у жителей страны чудес, в которой сто лет назад побывала маленькая Алиса^*. Все бегуны в этой эстафете должны бежать с одинаковой скоростью, а старт командам, отправляющимся из левой и правой улиток, дается заведомо не одновременно.

^* (Героиня сказки "Алиса в стране чудес" Льюиса Кэролла. Настоящее имя писателя Чарлз Лютвидж Доджсон. Он был профессором высшей математики в Оксфордском университете.)

На первом этапе каждая команда - левых и правых - бежит вместе. Но на втором команды перемешиваются: часть левых продолжает держаться прежнего пути, а часть перебегает направо. То же происходит и в команде правых: некоторые бегут в первоначальном направлении, другие переходят в команду левых. На третьем промежуточном финише снова происходит перестановка: часть бегунов возвращается в прежние команды. И еще одно правило есть в этой эстафете: на всех этапах, начиная с третьего, число дорожек меньше, чем число прибывающих бегунов. Дорожку занимает тот бегун, который пришел первым, а опоздавшему пути дальше нет.

Нервные слуховые проводящие пути

Странная эстафета! Она и вправду напоминает игру в крокет в стране чудес, где Червонная королева кричит проигравшему: "Голову с плеч! Голову с плеч долой!"

Сравнение с безумной эстафетой помогает отчасти представить себе процессы в проводящих нервных путях слухового аппарата. Но инженеры предпочитают сравнение с электронной вычислительной машиной. И не только потому, что оно кажется им более наглядным, работа слуховых нервных путей и работа электронной вычислительной машины действительно схожи.

Еще очень многое непонятно в механизме возникновения и действия нервных импульсов. Многое неясно и в работе самих нервных клеток - мы лишь приблизительно догадываемся о роли и назначении отдельных частей клетки. Более того, инженеры и ученые интуитивно предчувствуют, что процессы в отдельной нервной клетке неизмеримо сложнее, чем в "электронной клетке" вычислительной машины. Углубление знаний о нервной системе, возможно, покажет, что уподоблять нервную систему вычислительной машине наших дней столь же наивно, как и приводить для сравнения эстафету. Наивно, однако не ошибочно: в главном сравнение с вычислительной машиной всегда будет верным, потому что и нервная система, и вычислительная машина заняты одинаковым делом: и та, и другая перерабатывают сигналы, извлекают из них полезную информацию.

Говоря о пространственном слухе, нам волей-неволей пришлось ограничиться рассказом о нервных проводящих путях. Рассказ о беге импульсов был основан на первых достоверных фактах. Но их должно быть гораздо больше, чтобы этот рассказ был более детальным. Так, мы считали, что последний финиш для нервных импульсов - преддверие слуховых долей головного мозга. И это действительно финиш, но только для рассказа об импульсах, потому что сегодня мы еще ничего не знаем, что происходит с ними дальше - в главных и самых сложных центрах переработки слуховых сигналов, в слуховых долях мозга. Изучение этих центров только еще начинается. Оно невообразимо трудно: сама постановка экспериментов на мозге необычайно сложна, но, пожалуй, еще более сложно разгадать конструкцию мозга и расшифровать происходящие в нем процессы.

Философия доказывает, что ни каждый из нас в отдельности, ни человечество в целом никогда и ни при каких условиях не будет обладать абсолютным знанием, что движение к истине бесконечно, как бы ни убыстрялось развитие наук.

Так стоит ли вообще заниматься наукой, если наши знания всегда будут лишь небольшой частью огромного неведомого целого?

Безусловно. Ибо даже неполные, но точные знания - огромное богатство. С первых дней они ценятся людьми превыше всего, потому что только они дают нам возможность познавать мир и самих себя, творить и обогащать жизнь. Все изобретения - и самые великие, и самые малые - обязаны своим рождением таким неполным, несовершенным знаниям.

Музыка и, может быть, самые дерзкие изобретения - продольная флейта и скрипка - неодушевленные куски дерева, которые в руках музыканта способны завораживать нас, и чудо техники - орган, фонограф, телефон - все они появились на свет благодаря знаниям о слухе, о его свойствах.

Сегодня, как никогда, инженеры понимают, сколь много необходимо нам узнать о слуховом аппарате человека и животных. Им очень нужны факты и о пространственном слухе. Ведь инженерам приходится работать над созданием многих приборов, предназначенных для определения направления прихода волн: звуковых, радио и световых.

Такие приборы называют пеленгаторами. Пеленгаторы бывают неавтоматические и автоматические. Первые дают лишь сведения о направлении прихода волн. Вторые не только определяют направление, но и ведут по нему самолет, корабль, реактивный управляемый снаряд. До сих пор все пеленгаторы создавались инженерами самостоятельно, принципы действия пеленгаторов не были заимствованы у природы. Инженеры не знали их.

Имеющихся на сегодня фактов тоже недостаточно, чтобы приступить к созданию бионных пеленгаторов, но их вполне хватает для того, чтобы сказать: бионные пеленгаторы обязательно будут созданы.

И недаром исследования слуха теперь ведутся широким фронтом. Новые факты о слухе все чаще появляются в научных журналах и книгах. Одним из таких новых фактов я и закончу рассказ о свойствах слуха.

Уже давно известно, что у людей, потерявших зрение в раннем возрасте, и у незрячих с рождения значительно обостряются слух и осязание.

Это облегчает жизнь слепых, но все же им очень тяжело ходить по улицам, даже хорошо изученным, и уж совсем трудно ходить в незнакомых местах. В помощь себе они берут палку, которой нащупывают и остукивают путь. Неужели и в наш век слепые, как и тысячи лет назад, должны пользоваться палкой?! Неужели наука и техника не смогут дать им более совершенного и надежного поводыря?

Мы уже знаем о первых попытках создания электронного поводыря - ультразвукового локатора для слепых. Будем надеяться, что такой прибор окажет им помощь. Но уже и сейчас можно назвать очень важный недостаток этого прибора: он создан в ту пору, когда о пространственном слухе человека, особенно незрячего, наука почти не имела данных.

Стремление получить такие данные и побудило ученых заняться изучением слуха слепых. Пока в опытах, о которых я рассказываю, принимало участие всего лишь четыре добровольца; чтобы опыты были совершенно надежными, потребуется обследовать гораздо большее число людей. И это, несомненно, будет сделано, ведь уже сейчас получены очень интересные и неожиданные результаты.

Опыты проводились после основательной тренировки. Слепого усаживали в кресло и через люк в потолке опускали небольшой, размером с блюдце, диск. Расстояние до него могло изменяться от полуметра до полутора метров^*. От каждого из участников опытов требовалось, чтобы он научился отличать диски по размерам, пользуясь своеобразной звуколокацией. Им разрешалось издавать любые удобные для такого различения звуки: щелкать языком, свистеть, произносить короткое слово. В конце концов все четверо научились определять, когда в люк опускали диски, отличающиеся по размерам. Они чувствовали очень небольшие изменения диаметра диска - всего на 5 процентов в ту или другую сторону. Такую разницу трудно уловить даже зрячему!

^* (Радиус действия локатора летучей мыши также исчисляется несколькими метрами.)

Как это удается, как меняется эхо при изменении размеров диска, никто из участников опыта не мог объяснить. Здесь пока еще все неясно. Видимо, имеется какой-то особый механизм слуха, позволяющий слепым выполнять столь сложную звуколокационную задачу.

Изучение органов слуха уже многое дало. Но еще больше даст в будущем. Пройдет не так уж много лет, и инженеры создадут приборы, которые помогут обуздать взбесившийся эфир, помогут человеку ориентироваться в глубинах океана и космоса. Но хотелось, чтобы бионика приносила пользу людям и в другом, выручила тех, кто потерял зрение или слух, руку или ногу. Мы вправе возлагать такие надежды на бионику, ибо изучение живого во имя решения технических задач обязательно приведет к накоплению знаний, которые вызовут к жизни новую область бионики или даже новую отрасль науки и техники. Сейчас нельзя сказать, как назовут ее: бионическая медицина, или медицинская бионика, или как-нибудь иначе, - не в названии дело. Новые знания и методы, накопленные и разработанные бионикой в содружестве с новыми достижениями других наук, позволят медикам успешнее излечивать заболевшие, изношенные или поврежденные органы или даже заменять их искусственными.

Станет возможным бионное протезирование. Бионные протезы будут значительно совершеннее нынешних, хотя и они вряд ли смогут полностью заменять тот или иной орган. Создание протезов, не отличающихся от своих живых образцов - дело очень далекого будущего, задача другой, сегодня не известной нам науки.

Первый бионный протез был создан еще в те годы, когда не существовало слова "бионика". В 1958 году в одном из павильонов ВДНХ демонстрировалась электромеханическая рука. Ее стальные пальцы, обтянутые черной кожаной перчаткой, сжимались по команде нервных импульсов, отводимых от мышц предплечья человека. Научиться управлять такой рукой мог каждый. Электромеханическую руку создал коллектив инженеров и физиологов под руководством А. Е. Кобринского. Вначале электронные схемы для усиления нервных электрических импульсов и устройства, приводившие в движение пальцы, занимали много места и потребляли много электроэнергии. Сейчас у нас и в других странах выпускают бионные протезы руки. Прообразом для них послужила электромеханическая рука, созданная нашими учеными. Конечно, бионные протезы пока еще далеки от совершенства. Но уже и теперь они позволяют инвалиду брать различные предметы, пользоваться несложными инструментами, писать.

Поможет ли бионика протезировать другие органы человека?

Будем надеяться. Ученые пытаются создать искусственную слуховую улитку и соединить ее со слуховым нервом. Пока еще такая улитка крайне несовершенна и не позволяет восстанавливать слух полностью. Но если удастся сделать так, чтобы человек, прежде глухой, хотя бы грубо различал некоторые звуки, - разве это не будет победой?

Создать бионный слуховой протез трудное дело. Но еще труднее воплотить в жизнь зрительный протез. Эта задача настолько сложна, что бионика еще не решается ставить ее перед собой. Нужно многое узнать об устройстве глаза и зрительных центров мозга, чтобы подступиться к ней.