fizika (Электричество и человек), страница 3

Но что такое звук? «По своей сущности физическая акустика – не что иное, как часть учения о движении упругих тел», - писал Гельмгольц. Следовательно, звук – то или иное состояние материи, вещества. Появление звука, прежде всего, обусловлено веществом. В середине века ученые Гюкколь и Кихер проводили серию интересных наблюдений, в ходе которых был сделан вывод о возможности распространения звуков в абсолютном вакууме. Но результаты опытов были очень неточными и поэтому неправильными, т.к. при проведении работ ученые не смогли достичь полного удаления воздуха из-под колпака, где был подвешен колокольчик. Но более убедительным оказался вывод итальянского физика Больво, что распространение звука в вакууме невозможно. Опыты Больво ознаменовали новый этап в изучении звука, начало новой науки – акустики. Колебательные явления во внешней среде достигают биологического приемника – уха различным путем. Большинство животных и человек воспринимают колебания, передающиеся по воздуху.

Кроме непосредственного приемника звука – уха, в реакции человека на звук участвуют все центральные системы и, прежде всего мозг. Разными путями доходят до него звуки, и именно он выделяет то, на что нужно непосредственно реагировать.

В действительности огромные области звуковых колебаний окружающей среды человеком непосредственно как звук не воспринимаются. К ним относятся ультразвуковые и инфразвуковые области, которые действуют на человека, но не как звуковое восприятие среды, хотя человек способен, как это писал Сеченов, улавливать самые быстрые переливы звуков, анализируя их в определенном диапазоне по времени.

О том, что звуковое раздражение, восприятие звука сопровождается электрическим сигналом, ученым стало известно давно. Также стало известно, что длина и скорость распространения звуковых волн зависит от плотности вещества, о чем и свидетельствует приведенные примеры. По мягким частям тела человека и его костям его скелета звук распространяется по-разному. Но роль электричества в скорости распространения звука по телу оставалась неясной. Об этом речь пойдет позже.

Изучение звуковых колебаний и электрических полей началось с эксперимента Вольта. Вольта в своих опытах пользовался своим источником тока – вольтовым столбом. При этом он подключал к ушной раковине и коже электроды, затем пускал ток. Как он описывал свои эксперименты: «Замыкание электрической цепи производит ощущение сильного удара по голове, а несколько мгновений спустя возникает ощущение звука или скорее шума в ушах, характер которого невозможно определить». По его словам, шум напоминал прерывистое лопание пузырьков в воде или выкипание какой-то вязкой жидкости, напоминающее лопание пузырьков. Шум продолжался в течение всего эксперимента.

Это крупнейшим открытием, которое по-настоящему оказалось возможным оценить в середине 20 века. Явление, которое обнаружил Вольта – преобразование электрического тока через тело человека в звук – было настоящей сенсацией и привлекло внимание исследователей, которые собственными опытами подтвердили полученные Вольта результаты. Так, один из исследователей Г. Риттер, проводя многочисленные опыты на себе и других людях, используя различное расположение электродов и большое напряжение, подробно описал возникновение различных слуховых ощущений: шума, звона, звука, напоминающего глотание.

Значительно позже проводились опыты по установлению общих физиологических действиях тока на людей самых различных возрастов. При этом было обнаружено различие между слуховыми ощущениями, возникающими у здоровых и глухих людей. Особенно была отмечена зависимость ощущений от расположения электродов, размеров их поверхностей, полярности подключения.

Например, если основным электродом служил катод, расположенный в ушной раковине, то при замыкании цепи появлялось ощущение как бы звукового удара, иначе при другой полярности включения – при размыкании.

Новым методом, давшим данные для раздумий, в первую очередь биофизикам, оказался метод, основанный на использовании емкостного разряда. Этот метод обогатил науку сведениями о влиянии пороговых значений амплитуды и времени разряда на длительность и интенсивность слуховой реакции. Многочисленные эксперименты позволили количественно оценить параметры, характеризующие слуховые ощущения: время действия раздражителя – тока, его плотность, продолжительность реакции при применении переменного тока, амплитуду тока.

Большее значение в понимании механизма слуховых ощущений приобрели результаты исследования, при котором использовались токи различных частот, что позволило установить появление музыкального ощущения, которое наблюдалось при применении тока с частотой 1000 Гц и в переходных режимах во время разряда конденсатора большой емкости. Определение частоты тока, при которой появляются слуховые ощущения, проводилось в сравнении с ощущением звука камертона, настроенного на определенную частоту. Обобщение полученных результатов значительно расширило представление о механизме слухового восприятия. Было установлено, что только тонкие волокна слухового нерва являются структурами, раздражение которых токами различной частоты вызывает слуховые ощущения в виде звука музыкальной тональности, громкости звука, словом, только для них характерно дифференцированное восприятие электрического раздражителя, полностью отсутствующее у людей, страдающих потерей слуха.

Согласно теории передачи информации по нервам, можно представить, что частотное различие ощущения звука, адекватное частотному различию электрического тока, комплексом электрических импульсов, определяемых функциональным состоянием сохранившихся слуховых нервных волокон. Причем спектр импульсов передает спектральную плотность раздражения мозгу. Все это является обоснованием идеи о восстановлении частичного дифференцированного звукового восприятия у людей с полной или частичной потерей слуха.

Слуховую систему можно рассматривать как крайне сложную информационно-измерительную систему, попадающую под определение нового, современного направления – информатики. Все, что характеризует информатику, присуще слуховой системе, а именно первичные преобразователи информации, алгоритм ее обработки, программное обеспечение и анализ ее. В изучении каждой из этих частей системы имеются свои достижения. В слуховой системе обработка информации происходит одновременно на всех ее структурных уровнях, начиная с первичных преобразователей. Пиковыми являются первичная рецепторная система и ствол центральной нервной системы.

Характерно, что с точки зрения электротехники слуховая система, ее отделы при изучении реакции на действие электрического тока относятся системам с активными элементами –источниками. Ими являются источники биопотенциалов, возникающих в процессе жизнедеятельности. Происходит своеобразная, только биопотенциалам присущая суперпозиция – наложение на биотоки токов от внешних источников и совмещение с ними.

Проводимость слуховой системы, ее отделов, по-видимому, различна. В отдельных частях ее может преобладать электронно-ионная проводимость, в иных – полупроводниковая и, наконец, в некоторых ионная.

Прошло столетие, пока первые разрозненные сведения о возможности связать в единую систему звуковые и механические явления стали бесспорными. Слух – это восприятие организмом звуковых колебаний среды, причем это особая реакция, выражающаяся в сложном преобразовании первичной звуковой информации в нервную (электрическую) пульсацию, которая и вызывает слуховые ощущения.

Слуховой анализатор включает в себя ухо, слуховые центры разных отделов мозга, через которые проходит слуховой путь, и слуховую область височных отделов коры больших полушарий.

Ухо состоит из трех основных отделов: наружное (раковина), среднее и внутреннее. В слуховой части внутреннего уха расположен основной его орган, называемый кортиевым, в котором при действии звуковых колебаний на волокна с определенной собственной частотой колебания осуществляется возбуждение слухового нерва посредством появления электрических импульсов, выражающееся в возникновении импульсной активности. Заканчивается в коре больших полушарий, без участия которых невозможен анализ звука, смысловое распознавание речи. Сейчас уже доказано с помощью специальных наблюдений за структурой улитки, что первичный анализ, осуществляемый в улитке является наиболее грубым, а декодирование нервной пульсации происходит постепенно в каждом отделе слухового пути.

Таким образом, при воздействии звуковой волны на волокна нарушается передача энергии в клетках-преобразователях и происходит передача энергетического импульса в нервные волокна. Значит, при воздействии на эти же клетки электрическим током, промодулированном по мощности и частоте пачкой импульсов, возможен своеобразный искусственный переход клеток-преобразователей из пассивного состояния в активное и, как следствие, выдача импульсов в слуховой нерв. Это представляет собой очень важное свойство для людей, страдающих полной или частичной потерей слуха, т.е. дает возможность эффективного протезирования.

Зрение

Как свидетельствуют учебники по биологии, человек получает 98% информации от органа зрения. Что же он собой представляет? Физиология второй половины 20 века четко формулирует: «Глаз – это часть мозга, выдвинутая на периферию». Но где же заканчивается мозг и где начинается периферия? Для того чтобы ответить на этот вопрос понадобилось немало опытов и экспериментов. Глаз сам по себе – это очень сложная оптико-физиологическая система. Не буду останавливаться на строении глаза, так как это являлось предметом изучения школьной программы. Поэтому сразу перейду к описанию особенностей функций, выполняемых органом зрения.

Как мы видим? Много веков тому назад ученые представляли себе глаз как особый радар, ощупывающий окружающую среду посредством невидимых лучей. В чем-то они были правы. Но во многом они ошибались. Мы видим благодаря электромагнитным волнам высокой частоты или свету, отраженным от различных объектов. Но другое дело как мы можем «переправить» информацию из глаза в мозг. Происходит это благодаря «проводнику» – зрительному нерву. А раз есть проводник, то должен быть и источник тока, поступающего в мозг. Но если будет поступать только непрерывный ток, то нечего будет анализировать мозгу – все будет представляться сплошной стеной. Значит, должен быть какой-то модулятор (о нем речь пойдет позже). Тогда необходимо поступление информации не целиком, а импульсно. Вот с этого и начнем.

Световой луч, попавший в глаз, воздействует на колбочки и палочки, расположенные на сетчатке – своеобразном фотоэлементе или фотопленке. При этом изменяется состав вещества, покрывающего «светочувствительные элементы», образуется импульс энергии, поступающий к НКТ и далее к мозгу. Чувствительность этих «элементов» чрезвычайно высока. Она равняется силе света свечи, удаленной от глаз на расстояние около 100 км. При этом на каждый «элемент» попадает только один квант энергии. Это очень небольшая величина. Как же это возможно, если учесть, что самые совершенные фотоэлементы не имеют такой высокой чувствительности? Оказывается все довольно просто. Квант света – это не источник энергии, а всего лишь «спусковой крючок», отпирающий запас энергии, хранящийся в каждой палочке. Вот как это происходит: дело в том, что стенка наружного членика фоторецептора – мембрана – представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянного тока. При нормальном состоянии количество энергии находиться на одном уровне, при попадании же кванта энергии протекают процессы, значительно увеличивающие поступление тока в нерв. При этом происходит усиление первичного сигнала примерно в 1 миллион раз.

С появлением информации разобраться было несложно. Но после появились уже более сложные вопросы. Например, как информация передается с каждой колбочки. Обычно при решении каких-либо вопросов, связанных с устройством чего-либо, люди привыкли обращаться к аналогам. А так как на тот период уже использовалась электронно-лучевая трубка, то невольно представлялось, что каждая точка изображения передается в мозг и обрабатывается, одновременно происходит и запоминание информации. Но после весьма строгих подсчетов было выяснено, при таком способе хранения и передачи информации, что за всю жизнь мозг должен обработать и запомнить огромное количество данных, при этом каждый из нейронов мозга должен был бы хранить 6 млн. бит информации, что даже по нашим временам является невозможным. Был проведен опыт, доказывающий неверность этого суждения. Хирургическим путем было удалено около ¾ толщины зрительного нерва. Оказалось, что даже при таком повреждении собака способна была различать предметы, что было бы невозможно, если бы «картинка» строилась точечным способом. Тогда после дальнейших исследований было установлено, что уже при съеме информации происходит частичная обработка информации. На один передающий нейрон приходит несколько тысяч отводящих. Затем они поступают к следующей точке – модуляторе. Там показания различных точек сравниваются и значения подаются в кору головного мозга. К особенностям нашего органа зрения следует отнести: глаз уже на момент передачи информации в мозг уже способен четко определять границу между элементами геометрического слияния объектов; благодаря его особому устройству, глаз способен реагировать только на переменные по освещенности и подвижности объекты, так, например, если особым способом закрепить на глазном яблоке какой либо мелкий предмет, он моментально становится «невидимым» для глаза, огромная способность к адаптации по уровню освещенности (примерно на 6 порядков). Достигается это таким образом: в глазу существуют разные виды палочек и колбочек, отличающихся по избирательной способности (первые реагируют на освещенность, вторые на прямые определенной длины, третьи на окружности и комбинации волнистых линий и прямых). Затем, очень многие считают, что человек, читая, водит глазами по странице, но это не так, ученые установили, что глаз практически неподвижен, он только совершает колебательные движения, описывая сложную «звездочку». В третьих, зрачок – или отверстие для света, может очень сильно изменять свою пропускную способность посредством мышц. Эти свойства и делают глаз сверхсложной и сверхточной системой, которой не существует аналогов в технике.

Периферическая нервная система

Нервная система. Это понятие состоит из двух основных частей – центральная и периферическая системы. Рассмотрим периферическую нервную систему. Она состоит из нервных волокон или нервов. Вообще нервная система – очень сложная и, тем не менее, эффективная система. Ведь именно благодаря ей все процессы контролируются и управляются, благодаря ей проходят серии импульсов, «докладывающих» о состоянии органов, а также внешней среды, обеспечивается приток информации, необходимой для дальнейшего развития.

В машинах и приборах человек использует провода, изготовленные из металлов, природа же использует органические материалы, причем «проводники» - нервы – ничего от этого не теряют, а наоборот, выигрывают. Нервы настолько совершенны, что имеют способность к самообновлению, чем не обладают проводники, созданные человеком.