Начальная школа

Русский язык

Литература

История России

Всемирная история

Биология

География

Математика

КАК ПРОВЕРИТЬ СЛУХ У ДЕЛЬФИНА

 

Что же способен услышать дельфин такими необычно устроенными ушами? Оказалось, очень многое. Но прежде чем перечислять, на что способен и на что не способен слух этого животного, имеет смысл вкратце рассказать о том, как можно узнать про слуховые способности дельфина. Это ведь не очень просто.

Когда пациент приходит к ушному врачу, тот обычно определяет остроту слуха пациента просто: очень тихо произносит разные слова и просит их повторять. Если пациент хорошо слышит все слова, произносимые врачом, и безошибочно их повторяет, значит, со слухом у него все в порядке. Если пациент что-то недослышал и повторить не может слух неважный. Иногда врач пользуется специальным прибором — аудиометром, который издает звуки строго определенной высоты и громкости, а пациент сообщает, какие звуки он слышит, а какие — нет. В любом случае врач по ответу пациента узнает, что тот смог, а что не смог расслышать.

Но с животным, в том числе с дельфином, такой способ не пройдет. Животное ведь не сможет сказать человеку, что именно он услышал: мы уже выяснили, что разговаривать с ними на их языке люди еще не научились, а дельфины на человечьем языке - и подавно. Так что приходится действовать хитрее. Тем не менее есть много способов узнать, что слышит дельфин.

Один способ очень похож на тот, который использовался при исследовании зрительных способностей. Нужно обучить дельфина совершать определенное действие — например, нажать челюстями на опущенную в воду педаль или на мячик — в ответ на определенный сигнал. Только сигнал на этот раз будет не зрительный, а звуковой. Наберемся терпения и потренируем дельфина как следует, чтобы в ответ на звуковой сигнал он совершал нужное движение без осечки. А когда эта цель достигнута, начнем менять какие-то свойства звука, например делать его все более и более тихим. До поры до времени это никак не влияет на поведение дельфина: он по-прежнему в ответ на каждый сигнал подходит к педали и нажимает ее (конечно, за каждый такой правильный поступок он получает в награду рыбку, чтобы интерес к работе не угас). Но вот убавили громкость звука еще не много, и, несмотря на свое желание заработать очередную рыбку, дельфин начинает ошибаться, пропускает сигналы. Сделали звук еще потише, и животное совсем перестало его замечать. Значит, мы достигли той предельно низкой громкости, при которой дельфин еще может уловить звук. Эта минимальная громкость называется порогом слышимости. Найдя эту величину, можно сравнить ее с тем, что получается в таких же испытаниях у других животных или у человека, и оценить, насколько хорош или плох слух дельфина.

Определение пороговой громкости это пример, поясняющий основной принцип определения свойств слуха по поведению животного. Ясно, что таким же способом можно исследовать не только чувствительность, но и другие, самые разные возможности слуха. Это дела ют, меняя разные свойства звука и устанавливая, при каких условиях животное способно услышать звук, а при каких — нет.

Можно, например, менять частоту звуковых колебаний (от нее зависит то свойство звука, которое мы называем высотой) — делать ее все более и более высокой; когда частота звуковых колебаний станет слишком уж высокой, они перестанут восприниматься слуховой системой, и поведение обученного дельфина тотчас «доложит» нам об этом. Так можно установить, какую предельную частоту звуковых колебаний способен слышать дельфин — это тоже важнейшая характеристика слуха.

Более того, можно определить, насколько хорошо животное не только воспринимает, но и различает звуки. Например, опустим в воду два источника звука (такие подводные излучатели звука называют гидрофонами) и сделаем так, чтобы один из них издавал звук более высокого тона, а другой — более низкого. Научим дельфина в ответ на звук подходить всегда к тому гидрофону, который издает, например, более высокий звук (можно и на оборот, это совершенно не важно). Пока разница в тональности звуков от одного и от другого гидрофона достаточно велика, дельфин безошибочно выбирает тот, который нужно. Начнем уменьшать эту разницу — звуки от двух источников становятся все более и более близки ми по тональности, более похожими друг на друга. Если уменьшить различие между звуками до определенного предела, то дельфин уже не сможет разобрать, к какому из двух гидрофонов надо подходить, начнет путаться, действовать наугад. Значит, мы определили то минимальное различие между звуками, которое животное еще улавливает, — это различие и есть точная мера его способности различать звуки. Понятно, что таким же точно способом можно измерить, как дельфин различает звуки не только по высоте, но и по громкости, тембру, по любым другим свойствам.

Какие именно слуховые возможности дельфинов исследовались и что при этом получилось, об этом речь пойдет немного позже. А сейчас посмотрим, нет ли более удобного и эффективного способа исследовать слуховые возможности дельфинов. Ведь предварительная дрессировка, которая требуется для исследования слуха описанным выше способом, — это очень трудоемкое и долгое занятие, да и вся последующая процедура измерения требует от исследователя бездны терпения и упорства. Это ведь только на первый взгляд все выглядит так просто и ясно: подошел дельфин к гидрофону или педали значит, слышит; не подошел — не слышит. В реальности все намного сложнее. Он может подойти к педали и не расслышав звука, просто случайно либо на всякий случай — вдруг получит награду. А может и расслышать, но не подойти: отвлечет его что-то или задумается о чем-то своем, о дельфиньем. Чтобы из хаоса таких случайностей выделить «чистые», заслуживающие доверия сведения, нужны многократные пробы, повторения, результаты которых будут потом обработаны методами статистики. А тут новые сложности: повторили несколько раз сигнал, каждый раз поощряя дельфина рыбкой, и он уже сыт, да и надоело ему повторять одно и то же — больше работать сегодня он не хочет. А то просто окажется в дурном на строении (с подружкой поссорился или с приятелем по дрался) и не захочет работать: звук явно слышимый, а дельфин, как обиженный ребенок, уткнулся носом в угол и не желает подходить к педали. Эксперимент насмарку, и нужно ждать, пока испытуемый снова захочет работать активно. Иногда для проведения одной серии измерений требуются месяцы и годы. Может быть, можно приду мать такой способ, чтобы измерения проводить побыстрее и не зависеть от капризов животного? Оказывается, можно. Этот способ основан на регистрации электрических сигналов мозга.

Мозг состоит из миллиардов нервных клеток. А работа любой из них сопровождается появлением вокруг нее электрических токов. Каждая нервная клетка — это миниатюрный электрический генератор. Всякий раз, когда к клетке приходят сигналы от других клеток, а она, в свою очередь, передает этот сигнал дальше, в ней на мгновение вспыхивает сложная цепочка электрохимических реакций, и вокруг клетки возникает электрический разряд. Мощность этого разряда микроскопически мала: ведь сам генератор разряда — клетка — размером в тысячные доли миллиметра. Чтобы уловить электрический ответ одной такой клетки, нужно ввести в мозговую ткань тончайший электрод и подвести его к клетке вплотную, на расстояние опять же не больше чем тысячные доли миллиметра, а к этому электроду подключить специальный высокочувствительный электронный усилитель, способный почувствовать микроскопически слабый клеточный разряд. В принципе современная экспериментальная и хирургическая техника вполне позволяют выполнить такую процедуру, причем не причиняя животному боли и других неприятностей. Но на высоко организованных животных, в том числе на дельфинах, такие эксперименты никогда не проводятся: ведь введение любого инструмента или электрода в святая святых — в мозг животного — может быть небезопасно для его здоровья, да и с этической точки зрения такие действия выглядят не очень-то достойно. К счастью, это и не обязательно. Есть способы, которые позволяют зарегистрировать электрические сигналы мозга совершенно без опасно и безболезненно.

Если животное воспринимает какой-нибудь сигнал, например слышит звук, то при этом практически одно временно срабатывают не одна и не несколько, а тысячи тех нервных клеток, которые имеют отношение к восприятию и анализу этого сигнала. Электрические ответы всех этих нервных клеток складываются, и в результате возникает электрический ответ мозга, намного более мощный, чем ответ каждой из клеток в отдельности. Возникающий при этом электрический ток, пройдя сквозь ткань мозга, кости черепа, мышцы и кожу, может достичь поверхности тела. А это значит, что достаточно приложить к поверхности головы простые металлические контакты-электроды, соединенные проводами с чувствительным усилителем электрических сигналов, и будет зарегистрирован электрический ответ мозга на звуковой сигнал.

Конечно, когда мы говорим об электрическом ответе мозга, что он намного более мощный, чем разряд одной клетки, нужно иметь в виду, что значит «мощный». Нас ведь не «трясет» электрическим током, возникающим в собственной нашей голове, всякий раз, когда мы что-нибудь увидели или услышали. Сильным этот ток может казаться только по сравнению с микроскопически слабым ответом одной нервной клетки, но это действительно ничтожно слабый электрический ток. А те отголоски электрических процессов в глубине мозга, которые достигают поверхности тела, еще более слабы. Электрические напряжения, возникающие на поверхности головы человека или дельфина, составляют миллионные доли вольта, а то и меньше —это в десятки миллионов раз меньше, чем нужно, чтобы зажечь лам почку карманного фонарика. Но современным электронным измерительным приборам такие напряжения вполне доступны.

Нужно подчеркнуть специально: электрические напряжения и токи, возникающие на поверхности головы при действии разнообразных сигналов, не являются результатом подключения электродов и электронной аппаратуры, они не создаются этими приборами, а существу ют сами по себе. Электроды и усилитель электрических сигналов нужны только для того, чтобы уловить эти сигналы и сделать их доступными для наблюдения.

Но ведь звуковые, зрительные и другие сигналы воз действуют на органы чувств животных и человека постоянно. Значит, мозг любого существа, в том числе и наш, непрерывно вырабатывает электрические сигналы? Да, именно так. Все время и при любых обстоятельствах работаем мы или отдыхаем, двигаемся или спим — на поверхности нашей головы переливается невидимая картина электрических напряжений — продукт работы нашего мозга. Но мы совсем не замечаем этого и не ощущаем воздействия тока, потому что эти сигналы, даже если они создаются работой миллионов нервных клеток, все равно чрезвычайно слабы. Узнать о существовании этих электрических сигналов можно только с помощью высокочувствительных приборов.

Впрочем, если мы хотим уловить электрические ответы мозга на какие-то сигналы, например звуковые, то иметь высокочувствительную аппаратуру — это еще пол дела. Ведь помимо тех нервных клеток, которые реагируют на звуковой сигнал, в это же время работают и генерируют электрические токи миллионы других клеток мозга, которые заняты совсем другими делами. Да еще, помимо клеток мозга, в организме есть множество других источников электрических токов, в том числе и более мощных, чем нервные клетки, например мышцы; при любом движении они тоже работают как электрические генераторы. Все это создает такую какофонию разнообразных электрических шумов, что интересующий нас ответ на звуковой сигнал совершенно в ней потеряется. И с этим ничего не сможет поделать даже самый высокочувствительный усилитель: ведь он «не знает», каков источник того или иного электрического потенциала, и поэтому одинаково добросовестно усиливает и ответ мозга на звуковой сигнал, и маскирующие его помехи.

Так что, помимо высокочувствительных электронных усилителей, для выявления этих ответов приходится использовать и специальную компьютерную технику, которая позволяет сделать, казалось бы, невозможное: электрические ответы мозга, полностью «утонувшие» в массе посторонних шумов, она очищает и выделяет настолько, что эти ответы можно не только обнаружить, но и точно измерить. Основная идея, которая при этом используется, довольно проста. Чтобы выявить ответ мозга на какой-то сигнал, нужно повторить этот сигнал сколько-то раз — иногда достаточно повторить его раз десять, а по рой приходится сделать сто или тысячу повторений. При этом компьютер должен точно «знать», в какие именно моменты времени подаются звуковые сигналы. Компьютер анализирует электрические токи мозга и сравнивает их с моментами подачи звуковых сигналов. Если какие-то колебания электрического напряжения регулярно появляются каждый раз через определенный интервал времени после очередного звукового сигнала, значит, этот всплеск напряжения не случаен, это — ответ мозга на звук. А те колебания напряжения, которые возникают нерегулярно и вне связи со звуковыми сигналами, очевидно, никакого отношения к реакции мозга на звук не имеют, они должны быть отсеяны. Так, фрагмент за фрагментом анализируя электрические потенциалы после повторяющихся звуковых сигналов, компьютер ре конструирует истинную форму электрического ответа мозга на звук. Результат может быть весьма впечатляющим. Из совершенно хаотических и беспорядочных колебаний электрического напряжения, в которых совершенно невозможно рассмотреть хоть что-нибудь осмысленное, хоть какую-нибудь связь со звуковым сигналом, компьютер выделяет четкий электрический ответ, в котором несколько всплесков электрического напряжения отражают ответы нескольких отделов мозга на звук.

Иногда, правда, и этого оказывается недостаточно когда ответы мозга на звук очень уж слабы, малы по величине возникающих электрических сигналов, например тогда, когда нужно уловить ответы на очень слабые звуковые сигналы. В этих случаях даже описанная процедура выделения ответа из шума может не дать ясной картины: то ли есть едва заметный ответ, то ли нет. Тогда приходится задавать компьютеру дополнительную, более сложную задачу: в получившейся не очень вразумительной картине электрических потенциалов, содержащей ответ мозга и посторонние шумы, отыскать по специальной программе те небольшие колебания, форма которых характерна именно для ответов мозга. Таким способом можно уловить ответы совсем слабенькие.

Однажды я сам даже удивился, насколько чувствительным может быть такой метод. Нужно было зарегистрировать ответы мозга дельфина на очень слабые звуковые сигналы, да притом еще, когда дельфин находился не на поверхности воды, а под водой. А морская вода хороший проводник электричества, поэтому для электрических токов мозга, достигающих поверхности тела, она создает там нечто вроде короткого замыкания — разницы в электрических потенциалах на разных точках тела почти нет. Когда использовали всю возможную технику для выделения ответов мозга из шумов, то оказалось, что можно уловить ответы примерно в одну стомиллионную долю вольта (миллиардную часть какой-либо единицы измерения обозначают приставкой «нано-»; стало быть, ответы были величиной в 10 нановольт). Мне даже не сразу пришло в голову, с чем же можно сравнить та кую величину электрического напряжения. Но поскольку дело происходило на островке посреди Тихого океана, то сравнение все же довольно быстро нашлось. Представьте себе, что на противоположных берегах Тихого океана опустили в воду два электрода: один где-нибудь в Сан-Франциско или в Мексике, другой — во Владивостоке или в Японии.

К этим электродам приложим такое же напряжение, которое дает обычная батарейка, — это немного больше одного вольта. И предположим, что это напряжение равномерно распределилось бы по всему расстоянию примерно в 10 тысяч километров (на самом деле напряжение не распределится равномерно, но для иллюстрации можно предположить, что это именно так; литературный жанр допускает такую вольность, ведь и подключать батарейку к противоположным берегам океана никто не собирается). Так вот, если бы напряжение в один вольт равномерно распределилось бы по всей ширине океана, то у нашего дельфина, болтающегося как раз посредине этого океана, перепад напряжения между точками тела, к которым приложены электроды, было бы несколько десятков нановольт.

Так что метод регистрации электрических сигналов мозга — очень чувствительный способ, от него не скроется никакой, даже самый слабенький ответ мозга на звук. Если уж ответ возник, его можно надежно обнаружить.

Такая регистрация электрических ответов мозга и является тем средством, которое позволяет быстро и точно определить, слышит ли дельфин какой-то звук или нет. Есть ответ — значит звук воспринимается, дельфин слышит его. Нет ответа — значит, звук неслышим. Теперь можно, как и в опытах с обученными дельфинами, менять самые разные параметры звуков и определить, при каких условиях звук слышим, а при каких — нет, то есть выяснить, каковы слуховые способности дельфинов.

Конечно, вся эта техника — электронные усилители электрических сигналов, компьютеры и прочее — немножко сложнее, чем опущенная в воду педаль или шарик, которые нужны только для проведения экспериментов на обученных дельфинах (про аппаратуру для создания необходимых звуковых сигналов я не говорю, потому что она также нужна для всех способов исследования слуха). Но результат стоит всех этих хлопот и за трат. Не нужно специально обучать и тренировать дельфина, не нужно проводить длительных экспериментов, в которых дельфин раз за разом должен выполнять одно и то же движение в ответ на звуковой сигнал. Не нужно, чтобы во время эксперимента дельфин всегда был в хорошем рабочем настроении: электрические ответы мозга возникают совершенно независимо от того, хочет этого животное или нет. Неважно, сыт он или голоден, внимательно слушает звуки или не обращает на них внимания и дремлет себе потихоньку: если дельфин услышал звук, если его мозг среагировал на этот звук, то электрический ответ укажет на это совершенно точно. Правда, как уже было сказано, для получения электрического ответа мозга каждый сигнал необходимо многократно повторять, чтобы компьютер смог выделить этот ответ из посторонних шумов. Но это не беда: сигналы можно подавать достаточно часто — раз десять в секунду или даже чаще, так что даже если требуется тысяча повторений, это займет не больше одной двух-минут, и результат готов. Так что этот метод чрезвычайно продуктивен.

Конечно, и у поведенческого метода исследования есть свои преимущества. Дело в том, что некоторые типы звуковых сигналов лучше вызывают электрические ответы мозга, а некоторые хуже. Поэтому определенные особенности слуха дельфина никак не удается измерить с помощью метода электрических ответов: те сигналы, которые нужны, чтобы «прощупать» эти способности, просто не вызывают заметных ответов. Это не потому, что метод электрических ответов недостаточно чувствителен: выше мы убедились уже, что он может ощущаться необычайно точно. Но если задача, которую должен решить мозг дельфина, анализируя звуковые сигналы, достаточно сложна, она «растягивается» во времени, многочисленные нервные клетки мозга срабатывают не одновременно, а каждая в свою очередь. И именно одно временная работа большого количества нервных клеток может создать заметный электрический ток. Ничего не поделаешь, идеальных методов исследования, которые давали бы ответ на любой вопрос, нет в природе, как не бывает лекарства от всех болезней. По поведению же дельфина, проявив достаточное терпение, всегда можно определить, что звуковой сигнал услышан, проанализирован и опознан. Так что лучше всего, конечно, не отказываться ни от одного из методов, а по возможности гармонично сочетать использование того и другого, тогда уж не прогадаем.

Поиск

Информатика

Физика

Химия

Педсовет

Классному руководителю

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru