Текст книги "Оториноларингология: Руководство. Том 2"

В 1930 г. Е. Уивер и К. Брей (E. G. Wever, C. W. Bray) впервые зарегистрировали микрофонный потенциал улитки. С тех пор позади остались и тончайшие электрофизиологические эксперименты на уровне отдельной волосковой клетки, и сложнейшие гистохимические исследования, выявившие фундаментальные биохимические процессы, происходящие в рецептирующей клетке, и ряд других важных открытий в области трансформационных процессов, происходящих в нейронах. И хотя все эти открытия и являются весьма важным вкладом в теорию слуховой рецепции, эта теория по-прежнему не завершена. В упрощенном виде процесс слуховой рецепции может быть представлен в следующем виде. Известно, что улитка является генератором биотоков, возникновение которых, по существующим воззрениям, определяется рядом факторов, к которым относятся: различие электролитного состава эндо– и перилимфы, биоэлектрическая активность рецепторных клеток и волокон слухового нерва. В настоящее время технология микроэлектродного отведения биопотенциалов достигла такого уровня, что эти потенциалы могут регистрироваться не только в отдельных макроструктурах улитки, например в области круглого окна или от различных участков кортиева органа, но и от отдельных рецепторных клеток.

Существуют четыре типа улитковых потенциалов: токи покоя, токи действия, микрофонный потенциал, суммационный потенциал.

Токи покоя. Регистрируются в отсутствие звукового сигнала и делятся на внутриклеточный и эндолимфатический потенциалы.

Внутриклеточный потенциал регистрируется в нервных волокнах, в волосковых и опорных клетках, в структурах основной и рейснеровой мембран. Этот потенциал на 25–80 мВ отрицательнее по отношению к потенциалу перилимфы и окружающей упомянутые образования тканевой жидкости. Эндолимфатический потенциал регистрируется в эндолимфе улиткового хода, почему называется еще эндокохлеарным потенциалом, и является на 80 мВ положительнее по отношению к потенциалу перилимфы и на 105–160 мВ положительнее по отношению к внутриклеточному потенциалу. Столь выраженная положительная поляризация эндокохлеарного потенциала (эндолимфы) по отношению к перилимфе, по мнению Г. Дэвиса (Davis H., 1958), способствует чрезвычайно высокой чувствительности улитки к звуку. Так, звуки пороговой интенсивности вызывают бегущие волны, амплитуда которых в спиральном органе не превосходит 10^-8 (0,000000001) м, т. е. на один порядок менее 1Е. Источником эндокохлеарного потенциала является сосудистая полоска улитки, его величина находится в прямой зависимости от интенсивности аэробного метаболического процесса, т. е. от парциального давления кислорода в эндолимфе. Гипоксия в эндолимфе, обусловленная ишемией улитки, приводит к быстрому угасанию эндокохлеарного потенциала.

Токи действия – это интерферированные пики, генерируемые только волокнами слухового нерва в ответ на звуковое воздействие. Информация, содержащаяся в токах действия, находится в прямой пространственной зависимости от раздражаемых бегущей волной нейронов, находящихся на определенных участках основной мембраны. По данным И. Г. Тазаки (Tasaki I. H., 1954), волокна слухового нерва, берущие начало от нейронов верхних завитков улитки, реагируют на звуки низкой частоты; волокна, берущие начало от нейронов нижних завитков, реагируют на звуки любой слышимой частоты. Эти данные подтверждают концепцию Г. Гельмгольца о пространственном принципе «размещения частот» по основной мембране. Наблюдения И. Г. Тазаки, уточняющие специфику частотной селективности звукопередачи слухового нерва, основаны на следующих фактах: каждое нервное волокно в ответ на звуковой сигнал «пропускает» в единицу времени только определенное число импульсов, соответствующих частоте этого сигнала. Волокна слухового нерва группируются по признаку их частотной пропускной способности, образуя своеобразный кабель, по каналам которого осуществляется передача информации на разных частотах. Образно говоря, каждый канал способен передавать только сигнал определенной частоты, таким образом, если в данный момент на улитку действуют низкие звуки, то в процессе передачи информации участвуют только «низкочастотные» волокна, а высокочастотные в это время находятся в состоянии «покоя», т. е. в них регистрируется только спонтанная активность.

При раздражении улитки длительным однотонным звуком частота разрядов в отдельных волокнах уменьшается, что, по-видимому, связано с феноменом адаптации или утомлением. После сильного, но непродолжительного звука импульсы в слуховом нерве могут продолжаться в виде следовой реакции еще в течение 30 мс. По данным И. Г. Тазаки, информация о длительности звукового сигнала передается не отдельными волокнами, а группами волокон, связанными с соседними нейронами, образующими функциональные ассоциации по кодированию в нервные импульсы информации о временно́й протяженности сигнала.

Нервный аппарат улитки находится под постоянным эфферентным влиянием стволовых структур головного мозга. Согласно данным Р. Галамбоса (Galambos R., 1956), стимуляция пучка Расмуссена в продолговатом мозге оказывает тормозное влияние на токи действия улитки, вызванные звуковым раздражением. Аналогичные факты были получены Г. В. Гершуни (1959) в экспериментах на кошках.

Микрофонный эффект улитки. Этот феномен является результатом ответа на звуковое воздействие только наружных волосковых клеток. Действие ототоксических веществ и гипоксия приводят к угнетению или исчезновению микрофонного эффекта. Однако, как показали Уивер и соавторы (Wever E.G. et al., 1949), в метаболизме этих клеток присутствует и анаэробный компонент, поскольку микрофонный эффект улитки сохраняется на протяжении нескольких часов после смерти животного. Как показали исследования Я. А. Винникова и сотр., микрофонный эффект улитки при действии нормальных по интенсивности звуков не обнаруживает способности к адаптации. Не исключено, что такая устойчивость обусловлена альтернирующим взаимодействием аэробного и анаэробного обменных процессов, которые при соответствующих условиях «подменяют» друг друга.

Суммационный потенциал обязан своим происхождением реакции на звук внутренних волосковых клеток. Дэвис (Davis H., 1958, 1960) показал, что суммационный потенциал по своему существу является изменяющимся потенциалом покоя, флюктуации которого возникают в ответ на действие звукового раздражителя. При нормальном гомеостатическом состоянии улитки суммационный потенциал, регистрируемый в улитковом протоке, отрицателен по отношению к потенциалу лестницы преддверия, однако незначительная гипоксия, изменение соотношения концентрации ионов между эндо– и перилимфой, действие хинина, стрептомицина и ряда других факторов, нарушающих гомеостазис внутренних сред улитки, вызывают инверсию соотношения улитковых потенциалов, при которой суммационный потенциал становится положительным.

Изучая структуру покровной мембраны, исследователи установили, что этот элемент улитки является мукополисахаридным гелем, с которым, как полагает Дэвис, связана чувствительность суммационного потенциала к катаболическим веществам, под влиянием которых меняются вязкостные, следовательно и акустические (резонаторные), свойства покровной мембраны.

Таким образом, к середине XX в. было установлено, что в ответ на звуковое воздействие в различных структурах улитки возникают определенные биопотенциалы, которые дают начало сложному процессу восприятия звуков, при этом потенциалы действия возникают в рецепторных клетках спирального органа. В клиническом отношении представляется весьма важным факт высокой чувствительности этих клеток к дефициту кислорода, изменению уровня углекислоты и сахара в жидких средах улитки, нарушению ионного равновесия. Указанные изменения могут приводить к парабиотическим обратимым или необратимым патоморфологическим изменениям рецепторного аппарата улитки и к соответствующим нарушениям слуховой функции. Более чувствительны к патогенным факторам наружные волосковые клетки, поэтому при обратимых процессах в первую очередь восстанавливается функция внутренних волосковых клеток.

Рядом авторов были установлены и другие важные факты, проливающие свет на некоторые стороны трофики и жизнеобеспечения улитки (Винников Я. А., Титова Л. К., 1961). Как оказалось, основная и рейсснерова мембраны являются своеобразным фильтром, регулирующим ионный состав перилимфы и эндолимфы: первая легко проницаема для ионов калия и натрия, вторая, напротив, – не обнаруживает указанных свойств. Жидкость в туннеле и пространстве Нуэля (в каналах кортиева органа) по химическому составу не является эндолимфой, а соответствует перилимфе. Если бы лишенные миелиновой оболочки безмякотные нервные волокна спиральных сплетений кортиева органа были бы погружены в жидкость, обладающую свойствами эндолимфы с соответствующим ей потенциалом, то, по законам электропроводности, эти волокна не могли бы проводить биоэлектрические импульсы. По данным Энгстрема (Engstrom H., 1960), питательные вещества для волосковых клеток поступают не из эндолимфы, как это популярно излагается в некоторых учебниках, а из барабанной лестницы, т. е. из клеток Дейтерса. Кроме того, Энгстрем выделил в качестве особой «третьей» жидкости улитки так называемую кортиеву лимфу, которая, по-видимому, имеет существенное значение в поддержании «локального» гомеостазиса рецепторных клеток, играя роль своеобразного ионного защитного буфера между клетками и остальной частью жидкостной среды.

Большое значение для функции нервного аппарата улитки имеет ацетилхолин и его фермент холинэстераза. В связи с этим примечательны исследования ряда авторов, которые обнаружили присутствие холинэстеразы на синаптальных поверхностях кортиева органа (Gisselsson L., 1950; Churchill J. A. et al., 1956; Винников Я. А., Титова Л. К., 1958). Этот факт указывает на участие холинергического медиатора ацетилхолина в передаче нервных импульсов в улитке. Экспериментально было установлено, что именно угнетение и разрушение холинергических систем улитки, наблюдаемых при действии ототоксических веществ, приводит к выраженной перцептивной тугоухости или даже к глухоте.

Изложенные сведения свидетельствуют о том, что гармоничекие колебания подвижных структур улитки, возникающие в ответ на действие звука, вызывают в спиральном органе соответствующие биоэлектрические процессы, составляющие основу рецепции этого органа. Таково, в сущности, современное представление о функции периферической части слухового анализатора. Это представление может быть дополнено постулатом И. М. Сеченова о том, «…что образование биотоков происходит за счет обмена веществ». В соответствии с представлениями большинства исследователей, в основе происхождения биоэлектрических потенциалов лежит асимметричное распределение ионов между нервной клеткой и средой ее «обитания». Такое распределение объясняют наличием на поверхности клетки полунепроницаемой мембраны, обладающей способностью к селективному пропусканию через себя или задержке на своей поверхности (с внутренней или наружной стороны) соответствующих ионов. Вероятно, механизм «отбора» ионов заключается в образовании на клеточной мембране микроэлектростатических потенциалов, электрические поля которых ограничены одной или несколькими «пропускными порами» и способны притягивать или отталкивать заряженные частицы (ионы). При повреждении (угнетении) или возбуждении нервных рецепторов происходит раскрытие пор, мембрана утрачивает свою селективность и становится проницаемой для всех ионов. Если данная концепция верна, то, следуя ей, можно утверждать, что единственным источником электрических биопотенциалов являются ионы нервной клетки, которые, покидая ее пределы, деполяризуют ее, в результате чего электрический потенциал клетки устремляется по нервному волокну, исходящему из этой клетки, к центрам в виде потенциала действия. Ряд авторов (Насонов Д. Н., 1959; и др.), уточняя механизм деполяризации нервной клетки, полагают, что разность количества ионов по обе стороны клеточной мембраны не является стационарной в покоящейся клетке, не является следствием предшествующей фильтрации ионов и не предшествует возникновению тока действия. Эта разность возникает внезапно при раздражении или повреждении рецептора благодаря мгновенному увеличению количества ионов внутри клетки, возникающему в связи с распадом непрочного химического соединения (своеобразного «слухового пурпура») – белкового комплекса, содержащегося во всей цитоплазме. Причиной такого распада, по Д. Н. Насонову, является «обратимая денатурация» протеинов, ограничивающаяся начальной стадией распада белков до фрагментов, способных под особым трофическим влиянием нервной системы восстанавливать свою целость. Автор придает большое значение в этом процессе отщеплению электролитов от белков как самой существенной реакции в метаболической цепи превращений молекул среды клетки, приводящей в итоге к образованию разности потенциалов на границе клеточной мембраны (оболочки). Таким образом, Д. Н. Насонов приходит к выводу, что связь между клеточным обменом и биопотенциалами очевидна. С этим соглашается Я. А. Винников, однако он уточняет, что использование «поверхностных сил» (речь идет о поверхностном клеточном потенциале) возможно лишь для генерации кратковременного возбуждения. При длительном возбуждении обязательно вовлекается весь субстрат клетки с его многочисленными эндоплазматическими мембранами. Таким образом, заключает Я. А. Винников, биотоки улитки во всех случаях «…являются только энергетическим показателем тех внутренних биохимических и цитохимических процессов, которые связаны с метаболизмом и катаболизмом определенных химических биологически активных веществ, отличающихся упорядоченной локализацией и распределением как в кортиевом органе в целом, так и в его волосковых клетках в частности».

Волоски рецепторных клеток спирального органа представляют собой подобие антенн, богато снабженных весьма мобильными и в энергетическом отношении активными химическими веществами (холинэстераза, фосфатазы, протеины, различные молекулярные функциональные группы), которые в ответ на действие ацетилхолина эндолимфы реагируют быстрой ферментативной белковой реакцией, немедленно передающейся в цитоплазму волосковых клеток. Было показано, что распределение и локализация ацетилхолинэстеразы – основного регулятора активности клетки – связаны с волосками, расположенными на апикальной ее поверхности, а также с синапсами афферентных и эфферентных нервных окончаний, локализующихся на базальной поверхности рецепторных клеток. Звуковые раздражения, продолжающиеся в течение 1–6 ч, приводят к угнетению холинэстеразы, однако в первые 30 мин звукового воздействия ее активность возрастает. Изменения активности этого фермента наблюдаются в тех участках улитки, в которых возникают максимальные колебания основной мембраны. Угнетение холинэстеразы физостигмином приводило к резкому возрастанию латентного периода секреции ацетилхолина (Gisselsson L., 1950).

Интересные сведения о механизме функционирования волосков чувствующих клеток кортиева органа приводят Я. А. Винников и Л. К. Титова (1961). Оспаривая мнение Д. Бекеши (1956) и Г. Дэвиса (1958) о том, что решающую роль в генезе потенциалов волосковых клеток играет сгибание их волосков, они отмечают, что эти сгибания в эксперименте наблюдать не удается, зато были обнаружены факты, которые позволяют утверждать, что в происхождении биопотенциалов улитки решающую роль играют силы режущих и бегущих волн, вызывающих «конвекцию», иными словами, перемешивание ионов и ацетилхолина, необходимое для более эффективного действия этого универсального нервного медиатора.

Возможно, этот механизм и имеет место, но тогда становится неясной роль волоскового аппарата слуховых рецепторов и необходимость его сложного строения.

По мнению В. О. Самойлова (1986), сгибание волосков рецепторных клеток все же имеет место (рис. 24.26).

Рис. 24.26. Схема движений стереоцилий при действии звука (по Самойлову В. О., 1986):

а – положение структур в покое; б – сгибание стереоцилий при отклонении базилярной мембраны в сторону улиткового протока (в сторону вестибулярной лестницы); в – то же при отклонении основной мембраны в сторону барабанной лестницы; КСП – костная спиральная пластинка; БМ – базилярная мембрана; ПМ – покровная мембрана; СУ – стенка улитки; С – стереоцилии волосковой клетки

В результате этого явления происходит перестройка молекул плазмолеммы волосковой клетки в локусах проникновения волосков в ее тело, после чего плазмолемма становится проницаемой для ионов, образующих ионный ток и сдвиг разности потенциалов в самой плазмолемме. Среди волосков рецепторной клетки различают один длинный – киноцилий – и множество коротких – стереоцилии. Когда стереоцилии сгибаются в сторону киноцилия, рецепторная клетка деполяризуется (разряжается) с возникновением деполяризационного сдвига мембранного потенциала, который получил название рецепторного потенциала волосковой клетки. Как полагает В. О. Самойлов (1986), величина рецепторного потенциала зависит от интенсивности звука и достигает 10–24 мВ. Электроны рецепторного потенциала распространяются по плазмолемме волосковой клетки от ее верхушки к основанию. Их поток, достигнув основания клетки, стимулирует высвобождение медиатора ацетилхолина, поступающего далее через синаптическую щель на субсинаптическую мембрану чувствительного нервного окончания, контактирующего с волосковой клеткой. Под влиянием медиатора на субсинаптической мембране возникает генераторный потенциал, электроны которого устремляются к внесинаптическим участкам афферентных волокон, в которых и вызывают потенциалы действия, направляющиеся в виде дискретных биоэлектрических импульсов к слуховым центрам. В этих центрах происходит анализ содержащейся в импульсах информации в соответствии с частотой их следования – одно звуковое колебание производит один нервный импульс. Но поскольку минимальная продолжительность рефрактерной фазы нервного волокна (периода, в течение которого это волокно после проведения одного импульса как бы выключается и не способно проводить следующий импульс до полного своего пробуждения) равна 0,001 с, оно не может проводить более 1000 импульсов в секунду, иными словами, оно не может непрерывно проводить звуки частотой более 1000 Гц. Поэтому возникает вопрос, каким образом разрешается противоречие между неспособностью нервного волокна проводить звуки частотой более 1000 Гц и способностью звукового анализатора воспринимать все звуки высоких частот слышимого спектра. В эксперименте было установлено, что на каждой последующей станции переключения нейронных путей частота нервных импульсов в одном нервном волокне снижается пропорционально увеличению частоты подаваемого звука. На этом основании было сделано предположение, что возможность передачи звуков частотой более 1000 Гц осуществляется благодаря последовательной передаче этих звуков разными нервными волокнами (принцип альтернации). Например, надо передать звук частотой 2000 Гц; для этого, допустим, одно волокно передает первое колебание и «отдыхает», в это время другое волокно, которое не было задействовано, передает второе колебание и теперь уже оно «отдыхает»; к этому времени первое волокно готово к передаче третьего колебания. Таким образом, нервные волокна как бы перемежаются в своей пропускной способности, позволяя в целом передавать центрам сколь угодно частые звуковые колебания, при этом «звуковая картина», поступающая к центрам в «разобранном виде» по разным волокнам, интегрируется ими в целостный звуковой образ.

Примечателен тот факт, что если частота потенциала действия в одном нервном волокне не может превысить 1000 Гц, то частота улитковых потенциалов, например микрофонного эффекта, следует строго за частотой звука в соотношении 1: 1 вплоть до 16 000 Гц. Этот факт свидетельствует о том, что микрофонный эффект является чисто электрическим феноменом, но не физиологическим в том смысле, в каком реализуется потенциал действия.

Поступающая в центры звуковая информация реализуется в осознанное слуховое ощущение, качество и содержание которого определяются разрешающими способностями синапсов и каналов связи, а также информационным наполнением потенциалов действия. Однако прежде, чем стать осознанной реальностью, информация, формирующая эти ощущения, претерпевает на своем пути к коре головного мозга существенные преобразования, заключающиеся, по нашему предположению, в фильтрации, усилении и адекватизации энергетического носителя. Чувственные ощущения звука подчиняются законам психофизики слуха.