Журнальный зал

Русский
толстый журнал как эстетический феномен

Опубликовано в журнале: Урал 2018, 2

Письма к учёному соседу. Письмо 19. Шестое чувство

 

 

Мы традиционно считаем, что у человека пять чувств. Если их попробовать упорядочить, так сказать, по степени важности (или значимости для выживания вида), то, наверное, по мере убывания можно их расположить так: зрение, слух, осязание, вкус и обоняние. То, что зрение и слух — чувства важнейшие, например, потому что именно они поставляют человеку максимум информации об окружающем мире, с этим согласятся, видимо, все, но дальше могут (и должны быть) разночтения: вероятно, парфюмер сочтет, что обоняние важнее, чем вкус, а кулинар наверняка ему возразит. Но я хочу поговорить о шестом чувстве человека (и не только человека, конечно, но многих-многих других живущих на Земле видов млекопитающих, птиц, рыб и т.д.). У человека именно шесть чувств, и мы не обращаем внимание на это шестое чувство по довольно простой причине — его орган спрятан от внешнего наблюдателя внутри человека.

Люди любят про «шестое чувство» фантазировать. Вот в фильме «Шестое чувство» (1999, режиссер М. Найт Шьямалан) показан мальчик, который способен видеть умерших. Иногда так именуют телепатию, иногда интуицию. В стихотворении «Шестое чувство» Николай Гумилев писал:

 

Как некогда в разросшихся хвощах

Ревела от сознания бессилья

Тварь скользкая, почуя на плечах

Еще не появившиеся крылья;

 

Так век за веком — скоро ли, Господь? —

Под скальпелем природы и искусства

Кричит наш дух, изнемогает плоть,

Рождая орган для шестого чувства.

 

Здесь «шестое чувство» — это чувство прекрасного.

А между тем шестым чувством человека — и безо всяких мистических прозрений — является чувство равновесия. И «родился орган для шестого чувства» у человека очень давно — никак не позднее, чем другие пять.

Этот орган — вестибулярный аппарат, который никак не менее важен, чем осязание, обоняние и вкус. И как-то незаслуженно обойден вниманием.

Вестибулярный аппарат отвечает за чувство равновесия, и без него мы бы не выжили, потому что не смогли бы ни ходить, ни бегать, ни скоординированно двигаться. Мы даже видели бы без него несравнимо хуже, особенно во время движения. И читать бы мы тоже не научились, потому что голова постоянно немного двигается, изображение на сетчатке подрагивает, и глаз нужно стабилизировать, как видеокамеру, иначе изображение смажется. И стабилизирует изображение именно вестибулярный аппарат.

Когда мы идем (даже не очень быстро), большую часть времени мы балансируем на одной ноге. Когда бежим, мы должны точно приземляться после прыжка и снова выталкиваться. И ничего этого нельзя сделать без чувства равновесия. Не говоря уже об удивительных вещах, которые демонстрируют балерины, раскручивая фуэте, или акробаты, делая сальто.

С помощью нашего органа равновесия мы можем ориентироваться в пространстве: мы понимаем, где верх и где низ, где левое и где правое. То есть это тот орган, который помещает нас в пространственный контекст и позволяет согласовать наши действия с окружающим миром, причем делает это не в статическом положении, а в постоянном движении.

Почему же мы так часто про наше столь важное шестое чувство забываем? Если глаза, уши, кожу, нос и рот — мы видим, они выведены наружу и соприкасаются с внешним миром, то «орган для шестого чувства» расположен в голове человека — более точно, этот парный орган расположен во внутреннем ухе, в полости височной кости.

Несмотря на то, что лабиринт внутреннего уха описал еще древнеримский врач Клавдий Гален (131–217), понимание того, что орган равновесия (вестибулярный аппарат) расположен именно в костном лабиринте внутреннего уха, пришло очень не вдруг. Костному лабиринту приписывали, например, роль усилителя звука1. Только в начале XX века (то есть примерно тогда, когда Гумилев и писал «Шестое чувство») ученые согласились с тем, что костный лабиринт у человека не имеет отношения к слуху. (А у рыб, например, имеет, и то, что орган равновесия расположен у человека как раз во внутреннем ухе, — это наше эволюционное наследие, как раз от древних рыб.)

Чтобы как следует рассказать, как же именно работает вестибулярный аппарат, его, конечно, надо бы показать. Заменить картинку разговорами крайне трудно. Я могу только дать ссылки и просить их открыть, когда вы будете читать мои объяснения. Можно открыть английскую Википедию https://en.wikipedia.org/wiki/Vestibular_system, но лучше заглянуть в лекции профессора Тутиса Вилиса (Tutis Vilis) из университета Западного Онтарио, Канада, которыми я пользовался, работая над этой заметкой: http://www.tutis.ca/Senses/index.htm и конкретно об органе равновесия лекция 10. Balance http://www.tutis.ca/Senses/L10Balance/L10Balance.pdf или его же лекцию, выложенную на Youtube https://youtu.be/yCT3OPxTItA. Там все нужные картинки есть.

Но вернемся к шестому чувству. Костный лабиринт внутреннего уха содержит два вида рецепторов (или сенсоров), которые регистрируют два вида ускоренного движения — круговое и прямолинейное.

Круговое ускорение головы регистрируют полукружные каналы. В костном лабиринте — и левом, и правом — есть три полукружных канала, наполненных жидкостью (эндолимфой). Один канал с каждой стороны — горизонтальный, а два вертикальные — передний и задний. Полукружные каналы примерно перпендикулярны друг другу. Движение жидкости в каналах и возбуждаемая этим движением активность специальных волосковых клеток раскладывает все возможные вращения головы на три компонента: в горизонтальной плоскости и двух перпендикулярных вертикальных. Причем каждому каналу в левом внутреннем ухе соответствует аналогичный канал в правом. Когда потенциал волосковых клеток одного канала увеличивается, у парного ему — уменьшается. Когда вращение происходит точно в плоскости такой пары каналов, потенциал клеток этой пары увеличивается или уменьшается, а другие четыре канала не возбуждаются. Когда голова вращается вправо, в плоскости горизонтальных каналов, потенциал увеличивается в горизонтальном канале с правой стороны головы и уменьшается с левой. Передний канал слева и задний — справа также образуют соответственную пару. Когда вы наклоняете голову вперед, в плоскости левого переднего канала волосковые клетки возбуждаются, а потенциал правого заднего канала уменьшается. Когда вы откидываете голову назад, потенциал волосковых клеток правого переднего канала увеличивается, а у левого заднего — уменьшается2.

Все очень разумно устроено. В нашем трехмерном мире любое вращение раскладывается на три компоненты — в трех плоскостях. Это и делают полукружные каналы. Но есть один существенный нюанс: полукружные каналы хорошо работают при сравнительно коротких поворотах, если вращение окажется долгим — более 20 секунд, возбуждение в полукружном канале будет сброшено, и рецептор восстановится в состоянии покоя. А ведь вращение может продолжаться, и, если оно продолжается, это приводит ко многим нежелательным эффектам, о которых речь пойдет ниже. И еще: полукружные рецепторы — довольно грубый инструмент, поворот с ускорением менее 1 град/сек2 не регистрируется, и, если поворачивать голову очень медленно, рецептор будет считать, что голова вообще не поворачивалась. Это тоже важный момент, о котором мы еще поговорим.

Линейное ускорение обрабатывают отолитовые органы — утрикулюс и саккулюс, расположенные под прямым углом друг другу. Вот как их описал доктор биологических наук Д.В. Лычаков:

«У человека в каждом внутреннем ухе есть два отолитовых органа — маточка (утрикулюс) и мешочек (саккулюс). Они заполнены специальной жидкостью — эндолимфой (как и полукружные каналы.В.Г.). В каждом отолитовом органе имеются рецепторные волосковые клетки, собранные вместе в виде пятна (макулы) на одной из стенок органа (в полукружных каналах такое “пятно” тоже есть — оно называется купула.В.Г.). Если человек стоит прямо, то макула утрикулюса в каждом ухе располагается примерно в горизонтальной плоскости, а макула саккулюса — в вертикальной плоскости. Со стороны эндолимфы макула покрыта крупным внеклеточным образованием — отолитовой мембраной. Она представляет собой желеобразный слой, в который впаяно множество мелких отоконий или один крупный отолит. Эти кристаллические включения называются “отолитовый аппарат”. Отолитовые органы работают как механические акселерометры. В роли маятника (имеется в виду пружинный маятник, такой используется, например, в акселерометрах смартфонов.В.Г.) выступает мембрана: за счет кристаллических включений ее плотность примерно в 2,5 раза выше, чем у эндолимфы. Под воздействием линейных ускорений, возникающих при ускоренном движении или наклоне головы, отолитовая мембрана смещается, скользя по поверхности макулы. При этом упругие пучки волосков рецепторных клеток, прикрепленные своими концами к мембране, отклоняются от нейтрального положения. Чем больше наклон, тем сильнее изменяется электрический потенциал рецепторной клетки и тем сильнее ее ответ. Изменение потенциала, в свою очередь, вызывает изменение импульсации в нервных волокнах, контактирующих с рецепторными клетками. Так механический стимул преобразуется в нервные сигналы, которые кодируют информацию о силе, направлении и частоте действующего ускорения»3.

Возбуждение от волосковых клеток передается в вестибулярный центр и дальше — в мозжечок. А уже мозжечок передает команды спинному мозгу, мышцам рук, туловища, ног и т.д. Вестибулярный аппарат оказывается своего рода центром равновесия, и уже относительно него координируется движение всего тела. И главной целью всех этих довольно непростых «вычислений» и координаций является контроль положения тела — оно должно быть вертикальным, и оно должно иметь возможность наклоняться и поворачиваться влево и вправо, вперед и назад, но не падать, а сохранять равновесие.

Еще одна задача, которую решает вестибулярный аппарат, это — стабилизация видимого изображения при поворотах головы. За эту стабилизацию отвечает вестибулоокулярный рефлекс (VOR). Чтобы сохранить четкое изображение, необходимо удержать взгляд неподвижно в пространстве, несмотря на поворот головы. Например, когда голова поворачивается направо с определенной скоростью, глаза должны с той же скоростью поворачиваться в противоположном направлении. Такой поворот глаз сохраняет изображение на сетчатке неподвижным.

Конечно, очень хорошо, что вестибулярный аппарат стабилизирует изображение. Но оказывается, что визуальная информация тоже поступает в вестибулярный центр, и там происходит своего рода «сложение» этой информации с информацией, поступающей от вестибулярного аппарата. И эти два потока информации не всегда согласуются, а вот когда они не согласованы, возникает конфликт. Такой конфликт может привести к очень неприятным последствиям, которые чувствовал на себе едва ли не каждый человек, — это морская болезнь, или эффект укачивания.

Морская болезнь приводит к тошноте, головной боли, но это еще полбеды. Конфликт визуальной информации и информации от вестибулярного аппарата может привести к сенсорным иллюзиям, а если такие эффекты происходят с пилотом — это по-настоящему опасно.

При нормальных поворотах головы глаза поворачиваются в обратном ее движению направлении и стабилизируют изображение на сетчатки — так работает VOR. А теперь представим себе такую ситуацию: вращение продолжается более 20 секунд, и вы закрываете глаза. Рецепторы в полукружных каналах приходят в нормальное равновесное состояние, как будто вращения нет. Если в этом момент открыть глаза — вы испытаете сильное головокружение.

Если голова находится в покое, а изображение вращается, глаза начинают поворачиваться, компенсируя движение изображения. Этот эффект называется оптокинетическим ответом. Когда оптокинетический ответ поступает в вестибулярное ядро и дальше в таламус, возникает иллюзия вращения. (Этот эффект иногда используют при создании виртуальной реальности: человеку кажется, что это он вращается, а не картинка перед ним «едет».)

Морская болезнь, или укачивание, возникает, когда мозг (а именно мозжечок) не может решить, что же все-таки происходит — есть вращение или его нет.

Укачивать может, конечно, не только на море. Например, запросто может укачать в автомобиле, если вы устроитесь на заднем сиденье и попробуете читать книгу. Даже на идеальном автобане вас будет покачивать, то есть вестибулярный аппарат будет сообщать мозгу о легких вращениях и ускорениях, а визуально картинка будет статичной. Водителей укачивает очень редко — они смотрят вперед на дорогу, и визуальная картинка почти идеально совпадает с данными вестибулярного аппарата. Конфликта нет, а значит, нет и морской болезни.

Джером К. Джером так описал морскую болезнь в своей повести «Трое в лодке, не считая собаки»: «Вы отплываете в понедельник, лелея мечту об отдыхе и развлечении. Вы весело машете рукой приятелям на берегу, закуриваете самую внушительную свою трубку и начинаете расхаживать по палубе с таким видом, будто вы капитан Кук, сэр Фрэнсис Дрейк и Христофор Колумб в одном лице. Во вторник вы начинаете жалеть, что пустились в плавание. В среду, четверг и пятницу вы начинаете жалеть, что родились на свет божий. В субботу вы находите в себе силы, чтобы проглотить чашку бульона, и, сидя на палубе, отвечаете кроткой мученической улыбкой на вопросы сострадательных пассажиров о том, как вы себя чувствуете. В воскресенье вы уже способны самостоятельно передвигаться и принимать твердую пищу. А в понедельник утром, когда вы с чемоданом в руке и зонтиком под мышкой стоите у трапа, ожидая высадки, — прогулка по морю вам уже решительно нравится».

Причина морской болезни в том же конфликте визуальной информации и информации от вестибулярного аппарата: если вы находитесь в каюте, окружающая вас обстановка — статична, а вестибулярный аппарат сообщает о том, что вы непрерывно вращаетесь и ускоряетесь. Джером привел и рецепт борьбы с морской болезнью: «Что касается меня, то я нашел превосходное средство против морской болезни: нужно просто сохранять равновесие. Вы становитесь в центре палубы и, в соответствии с корабельной качкой, балансируете так, чтобы ваше тело все время находилось в вертикальном положении. Когда нос корабля задирается вверх, вы наклоняетесь вперед, почти касаясь лбом палубы, а когда поднимается корма, вы откидываетесь назад. Это отлично помогает час-другой. Но попробуйте таким образом сохранять равновесие целую неделю!»

Такой рецепт даже можно рекомендовать, но с небольшим уточнением. Когда вы будете так балансировать на палубе, что ваша голова будет оставаться неподвижной (а в этом и состоит цель такого балансирования), не забудьте при этом постоянно смотреть на горизонт — он-то как раз неподвижен (в отличие от палубы, которая будет в этом случае перед вами качаться), и тогда никакого конфликта между положением головы, которое регистрирует вестибулярный аппарат, и визуальной информацией, которая поступает в вестибулярное ядро, — не будет. Правда, как правило, достаточно просто смотреть на горизонт. Визуальная информация способна «выправить» команды вестибулярного аппарата, и поскольку горизонт неподвижен — морская болезнь пройдет и тошнота отступит.

Здесь возникают два интересных вопроса: почему через неделю плаванья морская болезнь отступает? и почему же все-таки человека при морской болезни тошнит?

Как ни странно, мы не знаем ответов на эти простые вроде бы вопросы, несмотря на то, что вестибулярный аппарат, VOR и реакции мозга на информацию о вращении и ускорении хорошо изучены.

Ответ на первый вопрос, по-видимому, заключается в том, что мозжечок способен откорректировать состояние вестибулярного ядра. Информация от глаз поступает в мозжечок не только через вестибулярное ядро, но и другим путем, и тогда, имея независимый источник, мозжечок может научиться подправлять информацию о равновесии. По-видимому, этот навык может стать вполне устойчивым — моряков редко тошнит. Но и обычный человек через неделю плаванья может «привыкнуть к качке» и «уже способен самостоятельно передвигаться и принимать твердую пищу».

Ответ на вопрос, почему человека при морской болезни тошнит, — и довольно неожиданный (хотя не все ученые с ним согласны), состоит в следующем: когда мозг сталкивается с конфликтом — он чувствует движение, но его не видит (или наоборот), он приходит к выводу, что человек галлюцинирует4. Тогда мозг делает вывод, что произошло отравление нейротоксином, и вызывает рвоту, чтобы очистить организм. То есть реакция на конфликт ощущения и изображения та же, что и при большой дозе алкоголя. Вот только при реальном отравлении рвота помогает, а при конфликте вестибулярного аппарата и зрительной информации — нет. И поэтому мозг провоцирует рвотный рефлекс снова и снова. Это мучительное состояние.

Морской болезнью страдает почти треть населения Земли, а в экстремальных условиях — практически все5.

Существует много способов борьбы с морской болезнью — и лекарственных, и технических. Но лекарства действуют часто как простое плацебо, и тренировки помогают далеко не всегда. NASA в качестве лучшего средства предлагает своим космонавтам специальные стробоскопические очки. Но мы пока все еще очень плохо понимаем и что такое морская болезнь и как с ней бороться.

Очень опасны иллюзии, возникающие при конфликте вестибулярного аппарата и зрения для пилотов.

Эти иллюзии имеют довольно разнообразную природу, но все они связаны с тем, что человек вообще-то не слишком хорошо приспособлен к тем скоростям и тем состояниям, которые он переживает в полете. И если пассажирам самолета максимум, что угрожает, это — морская болезнь, то ошибка пилота может иметь роковые последствия. Например, при долгом повороте (более 20 секунд) вестибулярный аппарат начинает сообщать пилоту, что поворот уже закончился и самолет летит прямо (а поворот между тем продолжается), и пилот может, не сверившись с приборами, которые в данном случае намного точнее его внутреннего ощущения, увеличить угол поворота, уйти с маршрута и промахнуться мимо посадочной полосы. Если ускорение вращения менее 1 градуса/сек2, пилот его вообще не чувствует, и опять-таки он может попытаться повернуть более резко. Если пилот при повороте самолета резко поднимет или опустит голову, то у него может возникнуть иллюзия сваливания в штопор. При резком взлете из ярко освещенного аэропорта в черное ночное небо возникает визуальная иллюзия полной остановки, и пилот может инстинктивно увеличить угол атаки и скорость подъема. Это все очень, очень опасно. Конечно, есть приборы, на которые и надо полагаться в таких случаях, есть налет часов — то есть большой опыт пилотирования, есть страховка (второй пилот). Но тем не менее ошибки происходят, и последствия их печальны6.

Вертикальное положение тела человека — неустойчиво. Оно постоянно требует усилий для корректировки, иначе человек упадет. И такую корректировку постоянно вносит вестибулярный аппарат.

Еще совсем недавно казалось, что попытки создания прямоходящих двуногих роботов, — дело, может быть, и не такого далекого, но будущего. И вот компания Boston Dynamics опубликовала 16 ноября 2017 года на Youtube небольшой ролик, который произвел сильнейшее впечатление: робот Atlas выполняет сальто назад, и после этого ему удается устоять на ногах7.

Конечно, вестибулярный аппарат этого робота еще не совершенен, но он уже очень близок по своим возможностям к человеческому. Когда вы смотрите, как Atlas просто прогуливается по заснеженному лесу (не по ровной дорожке, а именно по лесу) рядом с человеком, невозможно избавиться от ощущения, что Atlas — это переодетый человек. (Его рост 175 сантиметров и вес 82 килограмма, параметры вполне человеческие.) И он действительно способен двигаться на двух ногах и не терять равновесия. Он может оступиться, упасть — и подняться.

Агентство передовых исследований (DARPA) объявило конкурс с призом в 2 миллиона долларов за создание робота-пожарного. По условиям конкурса, робот должен уметь: управлять специальным автомобилем, доехать на нем до обозначенного места, пройти по щебню, разобрать строительный мусор и открыть дверь в здание, подняться по промышленной лестнице, пробить бетонную панель, подключить пожарный шланг. Пока еще ни один робот с конкурсным заданием не справился, но на новый конкурс 2018 года уже поступило 8 заявок8. Именно как пожарный двуногий робот идеален, потому что здание, хоть и разрушенное пожаром, строилось для людей и двигаться по нему удобнее всего человеку.

Несмотря на то, что мы уже так хорошо знаем принципы работы органа равновесия, что можем создавать прямоходящих роботов, мы все еще не очень-то отчетливо понимаем, как же все-таки работает вестибулярный аппарат человека. И здесь еще многое надо понять, хотя бы для того, чтобы помочь людям, страдающим от морской болезни. А это ведь почти все человечество.

 

1 На самом деле до сих пор нет единого мнения, как же именно ухо усиливает звук, а то, что такое усиление происходит, причем по некоторым оценкам не менее чем в 4000 раз, подтверждается экспериментами. См.: Dual contribution to amplification in the mammalian inner ear. Tobias Reichenbach, A. J. Hudspeth (Submitted on 10 Sep 2010) https://arxiv.org/abs/1009.2034.

2  Вилис Тутис (Tutis Vilis), университет Западного Онтарио, Канада — http://www.tutis.ca/Senses/L10Balance/L10Balance.pdf.

3 Лычаков Д.В. Камни и пылинки внутреннего уха // Химия и жизнь. 2005. № 3. С. 42.

4 M Treisman. Motion sickness: an evolutionary hypothesis. Science 29 Jul 1977: Vol. 197, Issue 4302, pp. 493–495.

5 Genetic variants associated with motion sickness point to roles for inner ear development, neurological processes and glucose homeostasis. Bethann S. Hromatka Joyce Y. Tung Amy K. Kiefer Chuong B. Do David A. HindsNicholas Eriksson. Human Molecular Genetics, Volume 24, Issue 9, 1 May 2015, pp. 2700–2708. https://academic.oup.com/hmg/article/24/9/2700/2385879

6 Статья Википедии содержит много ссылок на реальные катастрофы, к которым привели такого рода сенсорные иллюзии пилотов — https://en.wikipedia.org/wiki/Sensory_illusions_in_aviation.

7 https://youtu.be/fRj34o4hN4I.

8 https://en.wikipedia.org/wiki/Atlas_(robot)

Версия для печати