Мы уже говорили, что гимнарх все время генерирует электрические импульсы, так что вокруг его тела в воде текут токи. Если изобразить плотность тока с помощью густоты линий, то картина токов вокруг рыбы выглядит примерно так, как изображено на рис. 64. Если в воду внесено проводящее тело, то картина меняется, как на рис. 64, справа, если изолятор–как на рис. 64, слева. Искажение электрического поля меняет сигналы электрорецепторов рыбы.
Нервная система электрической рыбы содержит сложную систему обнаружения. Ее мозг сравнивает сигналы от многих рецепторов. Это позволяет определить размеры, форму, скорость движения лоцируемого предмета. Можно сказать, что электрические рыбы обладают настоящим «электрическим зрением».
Электрические рыбы используют электрические сигналы идля общения между собой. Например, они оповещают других особей своего вида о том, что данная территория занята, или о том, что ими обнаружена пища; есть электрические сигналы: «вызываю на бой», «сдаюсь» идр. По-видимому, электрические сигналы облегчают рыбам поиск особей другого пола. Все эти сигналы эффективно принимаются рыбами на расстоянии порядка 10 метров,
Что такое ЭК-Г, ЭМГ, ЭЭГ?
ЭКГ – это электрокардиограмма, запись электрических сигналов сердца. То, что в сердце при возбуждении возникает разность потенциалов, было показано еще в 1856 г., в эпоху Дюбуа-Реймона. Опыт, доказывающий это, был поставлен Келликером и Мюллером точно по рецепту Гальвани: на изолированное сердце клался нерв, идущий к лапке лягушки, и этот «живой вольтметр» отвечал вздрагиванием лапки на каждое сокращение сердца.
С появлением чувствительных электроизмерительных приборов стало возможным улавливать электрические сигналы работающего сердца, прикладывая электроды не прямо к сердечной мышцех а к коже. Сто лет назад, в 1887 r.j впервые удалось зарегистрировать таким способом ЭКГ человека, Это было сделано английским ученым А. Уоллером с помощью капиллярного электрометра» Этот прибор был неудобен в использовании и широкое применение электрокардиографии началось позже, после появления в 1903 г. более совершенного прибора – струнного гальванометра Эйнтховена. После появления этого прибора в ряде лабораторий начали детально изучать, чем отличается ЭКГ здорового сердца и сердца при разных заболеваниях. За эти работы В. Эйнтховен получил в 1924 г. Нобелевскую премию, а советский ученый А.Ф. Самойлов, много сделавший для развития электрокардиографии, получил в 1930 г. Ленинскую премию. В результате следующего шага в развитии техники электрокардиографы стали использоваться в каждой крупной больнице.
Какова природа ЭКГ? При возбуждении любого нервного или мышечного волокна ток в одних его участках втекает через мембрану внутрь волокна, а в других – вытекает наружу. При этом ток обязательно течет по наружной среде, окружающей волокно, и создает в этой среде разность потенциалов. Это позволяет регистрировать возбуждение волокна с помощью внеклеточных электродов, не проникая внутрь клетки. Сердце – это достаточно мощная мышца. В ней синхронно возбуждается много волокон, и в среде, окружающей сердце, течет достаточно сильный ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка 1 мВ. Обычная форма ЭКГ приведена на рис. 65; зубец Р соответствует возбуждению предсердий, а самый большой зубецR– синхронному возбуждению желудочков.
Для того чтобы больше узнать по ЭКГ о состоянии сердца врачи записывают много кривых между разными точками тела, Для понимания этих кривых нужен большой опыт. С появлением вычислительной техники стало возможным в значительной мере автоматизировать процесс «чтения» ЭКГ, Вычислительная машина сравнивает ЭКГ данного больного с образцами, хранящимися в ее памяти, и выдает врачу предполагаемый диагноз. Сейчас возникло много и других новых подходов к анализу ЭКГ. Очень интересным представляется такой. По потенцаалам, зарегистрированным с многих точек тела, и их изменению во времени можно рассчитать, как движется волна возбуждения по сердцу и какие участки сердца стали невозбудимы. Расчеты эти весьма трудоемки, но они стали возможны с появлением ЭВМ. Такой подход к анализу ЭКГ был развит сотрудником Института проблем передачи информации АН СССР Л.И. Титомиром, Вместо многих кривых, в которых трудно разобраться, вычислительная машина рисует на экране сердце и распространение возбуждения по его отделам. Можно прямо видеть, в какой области сердца возбуждение идет медленнее, какие участки сердца вообще не возбуждаются и т.д.
Потенциалы сердца были использованы в медицине не только для диагностики, но и для управления медицинской аппаратурой. Представьте себе, что врачу необходимо сделать рентгеновские снимки сердца в разные фазы его цикла, т.е. в момент максимального сокращения, максимального расслабления и т.д.; это бывает необходимо при некоторых заболеваниях. Но как поймать момент наибольшего сокращения? Приходится делать много снимков в надежде, что один из них попадет в нужную фазу. И вот советские ученые В.С. Гурфинкель, В.Б. Малкин и М.Л. Цетлин решили включать рентгеновскую аппаратуру от зубца ЭКГ, Для этого потребовалось не очень сложное электронное устройство, которое включало съемку с заданной задержкой относительно зубца ЭКГ, Остроумное само по себе решение задачи особенно интересно тем, что это было одно из первых устройств, в которых естественные потенциалы организма управляют теми или иными искусственными устройствами; эта область техники получила название биоуправления.
Скелетные мышцы тела тоже генерируют потенциалы, которые можно регистрировать с поверхности кожи. Однако для этого требуется более совершенная аппаратура, чем для регистрации ЭКГ. Отдельные мышечные волокна обычно работают асинхронно, их сигналы, накладываясь друг на друга, частично компенсируются, и в результате получаются меньшие потенциалы, чем в случае ЭКГ. Электрическая активность скелетной мышцы называется электромиограммой – ЭМГ. Впервые ПД мышечных волокон человека обнаружил, прослушивая их с помощью телефонного аппарата, русский ученый Н.Е. Введенский еще в 1882 г. В 1907 г. немецкий ученый Г. Пипер использовал для их объективной регистрации струнный гальванометр. Однако это был сложный и трудоемкий метод. Только после того как в 1923 г. появился катодный осциллограф и электронная техника, электромиография стала усиленно развиваться. Сейчас ее широко применяют в науке, в медицине, в спорте, а также для биоуправления. Одно из первых замечательных применений биоуправления с помощью ЭМГ – создание протезов для людей, потерявших руку. Такие протезы впервые были созданы в нашей стране.
А что такое ЭЭГ? Это электроэнцефалограмма, т.е. электрическая активность мозга, колебания потенциала, создаваемые работой нейронов мозга и регистрируемые прямо с поверхности головы. Нервные клетки, как и мышечные волокна, работают неодновременно: когда одни из них создают на поверхности кожи положительный потенциал, другие создают отрицательный. Взаимная компенсация потенциалов тут еще сильнее, чем в случае ЭМГ. В результате амплитуда ЭЭГ примерно в сто раз меньше, чем ЭКГ, поэтому их регистрация требует более чувствительной аппаратуры. Впервые ЭЭГ была зарегистрирована русским ученым В, В. Правдич-Немским на собаках с помощью струнного гальванометра; он вводил собакам кураре, чтобы более сильные мышечные токи не мешали регистрации токов мозга. В 1924 г. немецкий психиатр Г. Бергер начал в Йенском университете изучение ЭЭГ человека. Он описал периодические колебания потенциалов мозга, имеющие частоту около 10 Гц, которые называют альфа-ритмом, Он же впервые зарегистрировал ЭЭГ человека при припадке эпилепсии и пришел к выводу, что Гальвани был прав, предполагая, что при эпилепсии в нервной системе возникает участок, где токи особенно сильны. Поскольку речь шла об очень слабых потенциалах, зарегистрированных малоизвестным врачом, результаты Бергера долго не привлекали внимания; он сам опубликовал их только через 5 лет после сделанного открытия. II только после того как в 1930 г. их подтвердили знаменитые английские ученые Эдриан и Мэтьюс, на них была «…поставлена печать академического одобрения», по выражению Г. Уолтера, английского ученого, который занимался клиническими аспектами ЭЭГ в лаборатории Голла. В этой лаборатории были разработаны методы, которые позволяли по ЭЭГ определять местоположение опухоли или кровоизлияния в мозгу, подобно тому, как ранее научились по ЭКГ определять место инфаркта в сердце. В дальнейшем кроме альфа-ритма были открыты и другие ритмы мозга, в частности ритмы, связанные с разными типами сна. Существует масса проектов биоуправления с помощью ЭЭГ. Например, если у водителя все время регистрировать ЭЭГ, то можно с помощью ЭВМ определить момент, кода он начинает дремать, и будить его. К сожалению, все такие проекты пока трудно реализовать, так как амплитуда ЭЭГ очень мала.
Кроме ЭЭГ – колебаний потенциала мозга в отсутствие специальных воздействий, существует еще и другая форма потенциалов мозга – вызванные потенциалы. ВП – это электрические реакции, возникающие в ответ на вспышку света, звук и т.д. Так как на яркую вспышку света отвечают почти одновременно сразу много нейронов мозга, то ВП обычно имеют гораздо большую величину, чем ЭЭГ. Не случайно они были обнаружены гораздо раньше, чем ЭЭГ. С помощью ВП можно решать интересные научные задачи. Например, после вспышки света ответ раньше всего возникает в затылочной области мозга. Отсюда можно сделать вывод, что именно в эту область поступают сигналы о свете. При электрическом раздражении кожи ВП возникают в темной области мозга. При раздражении кожи руки они возникают в одном месте, кожи ноги – в другом. Можно составить карту таких ответов и эта карта показывает, что поверхность кожи дает проекцию на теменную область коры мозга человека. Интересно, что при этом проектировании нарушаются некоторые пропорции, например проекция кисти руки оказывается непропорционально большой. Да это и естественно: о руке мозгу нужна гораздо более подробная информация, чем, например, о спине,