АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 58, № 1, с. 3-27
АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. ^^^^^^^^^^ БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.2:534.7
ФОКУСИРОВАННЫЙ УЛЬТРАЗВУК КАК СРЕДСТВО ВВЕДЕНИЯ ЧЕЛОВЕКУ СЕНСОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ (ОБЗОР) © 2012 г. Л. Р. Гаврилов, Е. М. Цирульников*
Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4 E-mail: gavrilov@akin.ru *Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН 194223 Санкт-Петербург, пр. М. Тореза 44 E-mail: tsiruln@iephb.ru Поступила в редакцию 27.07.11 г.
Обзор посвящен анализу исследований и разработок, связанных с использованием фокусированного ультразвука для функционального воздействия на рецепторно-нервные структуры. Основное внимание уделено их стимулированию для введения человеку сенсорной информации. Эта область медицинской и физиологической акустики появилась в России в начале 1970-х годов, далее продуктивно развивалась до конца 1980-х, затем, после прекращения финансовой поддержки, стала уделом исследователей-одиночек и пока полновесно не развернулась как в сфере дальнейших исследований, так и в практической реализации. Многие перспективные возможности использования функциональных воздействий фокусированным ультразвуком в медицине и физиологии с давних пор остаются нереализованными, а за последние годы появились новые интересные идеи и подходы. В самое недавнее время сообщалось об осуществляемых в некоторых лабораториях весьма сомнительных проектах, связанных с использованием ультразвука для целенаправленного функционального воздействия на головной мозг человека. В обзоре выделены этапы становления и развития научного направления, связанного с функциональным воздействием фокусированного ультразвука. Активируя импульсами фокусированного ультразвука рецепторно-нервные структуры кожи, можно вызвать все ощущения, с которыми человека связывает кожа в повседневной жизни: тактильные, температурные (тепло и холод), щекотка, зуд, различные виды боли. Стимуляция ушного лабиринта нормально слышащего человека амплитудно-модулированным ультразвуком вызывает слуховые ощущения, характер которых соответствует звуковому модулирующему сигналу (чистые тоны, музыка, речь и др.). Активация фокусированным ультразвуком рецепторно-нервных структур использована для диагностики различных неврологических и кожных заболеваний, а также нарушений слуха. Показано, что активация связана с механическим действием ультразвука, например, за счет радиационной силы, а также с непосредственным действием ультразвуковых колебаний на нервные волокна. Действие радиационной силы перспективно для реализации возможности незрячим и даже слепо-глухим людям, используя чувство осязания, воспринимать с помощью вызванных ультразвуком тактильных ощущений выводимую на дисплей текстовую информацию. Обсуждаются применения ультразвука для локального раздражения рецепторно-нервных структур как вполне реальные, уже испытанные в клинике, так и претендующие на сенсацию, едва ли осуществимые в обозримом будущем.
Ключевые слова: фокусированный ультразвук, сенсорная информация, рецепторно-нервные структуры, ощущения, стимуляция, радиационная сила, медицина, физиология.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных задач физиологии и медицины были и остаются поиски искусственных раздражителей, способных бесконтактно и локально инициировать ощущения. Такие раздражители (стимулы) были бы крайне полезны как в медицине, например для диагностики заболеваний, сопровождающихся изменением различных ощущений, так и в физиологических исследованиях. Необходимым условием при этом является исключение любых разрушений в месте воздей-
ствия стимула или в окружающих тканях, а также возможность длительного и многократного применения таких искусственных раздражителей. Важной является реализация точного измерения параметров стимула.
Большую роль как искусственный раздражитель нервных структур сыграл и продолжает играть электрический ток. Однако его часто невозможно использовать для локального раздражения заданной рецепторной или нервной структуры без влияния на соседние области. При необходимости
воздействия на глубинные структуры требуется выполнить оперативное вмешательство для подведения к структуре электродов. При этом нарушается важнейшее биологическое требование не-инвазивности функционального воздействия.
Как будет показано далее, способ активации рецепторно-нервных структур с помощью фокусированного ультразвука вполне удовлетворяет требованиям бесконтактности, неинвазивности, локальности и дозированности воздействия. Функциональные эффекты, возникающие при использовании ультразвука, чрезвычайно многообразны: от временного обратимого выключения той или иной функции до появления распространяющегося возбуждения. Основное внимание в обзоре уделено стимулирующему (иными словами, активирующему, раздражающему) действию фокусированного ультразвука на рецепторно-нервные структуры, которое может многократно повторяться (иногда в течение ряда лет) без опасности повреждения структуры и окружающих ее тканей.
ОБРАТИМЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКА
Функциональные (обратимые) эффекты при действии ультразвука на рецепторно-нервные структуры известны с середины прошлого века, т.е. за два десятилетия до начала исследований с участием авторов данного обзора. Интерес к возможности применения ультразвука для обратимого выключения некоторых структур мозга определяется рядом практических ситуаций, возникающих в медицине. Так, при проведении ультразвуковых нейрохирургических операций можно было бы обеспечить высокую точность попадания мощным фокусированным ультразвуком в заданную структуру мозга, если бы до ее разрушения ультразвуком можно было вызвать в ней те или иные обратимые изменения с помощью заведомо неразрушающих ультразвуковых доз. Это позволило бы упростить сложные и трудоемкие методы, основанные на нахождении внутричерепных и мозговых ориентиров. По мнению Лили [1], вопрос о получении обратимых изменений структур мозга является решающим для реализации использования фокусированного ультразвука в клинической нейрохирургии. Такая возможность была бы крайне полезной также для изучения функций различных отделов головного мозга и структурно-функциональных связей в центральной нервной системе.
В. Фрай с сотрудниками одними из первых исследовали влияние ультразвука на проводимость нервных волокон [2]. При действии ультразвука интенсивностью 35 Вт/см2 (частота 0.98 МГц) на проводимость брюшной нервной цепи лангуста наблюдались эффекты обратимого угнетения. Частота спайковых потенциалов сначала увеличива-
лась, затем уменьшалась, а по прошествии около 40 с большие потенциалы полностью исчезали. Через 25 с после выключения ультразвука они снова появлялись, постепенно возрастали и спустя еще 40 с достигали первоначальной амплитуды и частоты.
Эти исследования получили дальнейшее развитие в той же лаборатории [3—6]. В частности, показано [4], что облучение фокусированным ультразвуком сравнительно высокой интенсивности наружного коленчатого тела головного мозга кошки вызывает обратимое подавление в зрительной коре электрических ответов на световое раздражение глаза. Полное восстановление зрительных функций происходило через 30 мин после облучения. Никаких морфологических изменений облученной нервной ткани обнаружено не было.
В эксперименте на кошках [7] исследовалось обратимое действие фокусированного ультразвука частотой 2.7 МГц на ядра Эдингера—Вестфаля, деятельность которых связана с регуляцией сужения и расширения зрачка. Разрушение или стимуляция этих ядер приводит к отчетливой зрачковой реакции. Облучение производилось последовательностью импульсов с интенсивностью в фокусе 1700 Вт/см2, длительностью 0.14 с и частотой повторения 1/3 Гц; число импульсов менялось от 1 до 13. Было обнаружено, что в нескольких экспериментах сужение и расширение зрачка не сопровождалось гистологическими изменениями облученной ткани.
В работе Лили [8] изучалось влияние фокусированного ультразвука частотой 0.6—2.7 МГц на проводимость периферических нервов кошки, обезьяны и человека. Оказалось, что ультразвуковая доза, необходимая для блокирования проводимости нерва, уменьшается с ростом температуры среды, окружающей нерв в области облучения. По данным Лили, все физиологические эффекты, связанные с воздействием ультразвука на нервные волокна, могут быть воспроизведены приложением дозированного количества тепла к определенным частям нервов. Иными словами, Лили предполагает тепловой механизм воздействия ультразвука на проводимость нервных волокон.
При определенных режимах действия фокусированным ультразвуком на седалищный нерв лягушки удается блокировать тонкие нервные волокна без изменения проводимости толстых волокон [9, 10]. Особенность выбранной методики состояла в расположении нерва в блоке из резины, что могло привести к значительно большему повышению температуры нерва по сравнению с действием ультразвука в естественных условиях, так как коэффициент поглощения ультразвука в резине весьма велик.
По данным П.О. Макарова с соавторами [11— 13], ультразвук при действии на нервный ствол не вызывает распространяющегося возбуждения в нерве или в отдельных нервных волокнах, хотя и
изменяет их некоторые функциональные свойства. К настоящему времени возможность активации фокусированным ультразвуком свободных нервных окончаний, одиночных нервных волокон типа А-дельта и С является экспериментально доказанной [14—25], однако не получено локальной импульсной активности или распространяющегося возбуждения при непосредственном действии ультразвука на структуры головного мозга.
В связи с этим представляет интерес теоретическая работа В. Фрая [26], в которой предложен способ электрической стимуляции нервной ткани в глубинных структурах мозга без использования помещенных в мозг электродов. Сущность метода основана на взаимодействии переменного электрического поля, приложенного к мозгу извне, и акустического поля, созданного фокусированным ультразвуком, локализованным в месте стимуляции. В простейшем случае частоты электрического и акустического полей равны. Распространен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.