способ исследования нейропсихологических и морфофизиологических механизмов пространственного слуха

Формула изобретения

Способ исследования морфофизиологических и нейропсихологических механизмов пространственного бинаурального слуха, включающий предъявление через головные телефоны дихотических звуковых щелчков, отличающийся тем, чтосначала стимулируют только одно ухо серией последовательно суммирующихся подпороговых звуковых щелчков, число которых в серии доводит моноуральную стимуляцию до порогового уровня, после чего серийную моноуральную стимуляцию повторяют, но одновременно с завершающим стимулом серии предъявляют надпороговый одиночный щелчок на другое ухо, превращая последний звуковой стимул в серии в дихотический, и по локализации в субъективном звуковом поле звукового образа судят о морфофизиологическом состоянии неперекрещенных слуховых путей, а следовательно, и о состоянии звуколокализационной функции испытуемого.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области возрастной психофизиологии и отоневрологии, оно может быть использовано для определения уровня функционального тонуса и психофизиологического развития слуховой системы, а также в клинической практике для диагностики очаговых поражений указанной сенсорной системы.

Человек преимущественно благодаря зрению и слуху ориентируется в окружающем внешнем пространстве, из которого он получает все необходимое для удовлетворения своих многочисленных и разнообразных потребностей. По функциональному состоянию этих двух сенсорных систем, являющихся, по выражению Ч. Шеррингтона (15), «главными руководителями» для локомоторного аппарата ориентировочно-исследовательского поведения человека, можно с полным основанием судить не только о морфофизиологической зрелости самих названных систем, но и об уровне развития всего мозга.

Существует целый ряд способов исследования психофизиологических механизмов бинаурально-пространственного слуха человека, среди которых наиболее распространен метод дихотической стимуляции в сочетании с латерометрией (1, 3, 10, 11, 12, 13, 18).

Суть метода состоит в том, что испытуемым предъявляются с помощью головных телефонов идентичные звуковые стимулы оптимальной громкости. При такой стимуляции у 85% испытуемых в «субъективном звуковом поле» (СЗП) головы возникает слитный звуковой образ (СЗО) с максимальной звуковой плотностью в зоне вертекса. Если испытуемым предъявлять серии дихотических стимулов с меняющейся интерауральной задержкой ( T), то у них возникает ощущение движения звукового образа в СЗП головы (1, 3, 19, 20). Нейрофизиологическая основа феномена слитного звукового образа, «рождаемого» бинауральной и биполушарной слуховой системой в ответ на дихотическую стимуляцию, подробно представлена в нашем патенте (9). Феномен слитного звукового образа лежит в основе механизма пространственного слуха. Кроме этого, для познания морфофизиологических основ и механизмов локализации источника звука необходимо нейрофизиологическое декодирование феномена движения звукового образа в СЗП.

Считаем, что если феномен латерализации проявляется при введении интерауральных различий только по T и если латерализованный СЗО можно «центрировать» путем усиления задержанного стимула (3), то есть все основания считать, что интерауральная Т преобразуется в межполушарную асимметрию по интенсивности, то есть по I (3, 8, 17). Морфофизиологический механизм, осуществляющий такое преобразование, до сих пор остается до конца неизвестным, хотя усиление межполушарной асимметрии существенно увеличивает градуальную дискретность субъективного звукового поля.

На основании экспериментов с односторонними холодовыми выключениями слуховых полей коры у кошек в сочетании с односторонними разрушениями улитки было высказано предположение о том, что важную роль в локализации звука играют неперекрещенные слуховые пути (16). Этих путей от каждого уха к корковым центрам полушария мозга с одноименной стороны, как показали морфологические и электрофизиологические исследования (4, 14), примерно в два раза меньше, по сравнению с перекрещенными слуховыми путями, связывающими каждое ухо с противоположным полушарием. По указанной причине монаурально предъявляемые звуковые щелчки пороговой величины вызывают электрофизиологический и соответственно субъективно-психический отклик только в противоположном полушарии, а ипсилатеральное полушарие остается по отношению к ним абсолютно «глухим». Но если предъявлять звуковые щелчки умеренной надпороговой интенсивности, то вызванные потенциалы на них всегда имеют более короткий латентный период и более высокую амплитуду в контралатеральных корковых центрах по сравнению с ипсилатеральными (5, 16). Это обстоятельство приводит к тому, что афферентный импульсный поток, поступающий к слуховым центрам по неперекрещенным путям, может оказывать лишь модулирующее влияние на основной, более сильный импульсный поток, идущий от противоположного уха. Если при введении интерауральной T неперекрещенная импульсация приходит в слуховой центр со стороны опережающе стимулируемого уха раньше перекрещенной, то она, делая крутизну нарастания силы раздражения от противоположного уха более пологой, ослабляет ответное афферентное возбуждение в этом полушарии, а если же неперекрещенная импульсация приходит после перекрещенной, то она усиливает возбуждающий эффект перекрещенной импульсации, особенно, если попадает в период супернормальной возбудимости афферентных нейронов соответствующего слухового центра. Благодаря такому модулирующему влиянию неперекрещенного потока импульсов, интерауральная асимметрия по T преобразуется в межполушарную асимметрию по I. Так как в процессе онтогенеза между парными слуховыми центрами и полушариями среди прочих отношений складываются и отношения реципрокные (2), то более сильное эфферентное возбуждение одного полушария полностью тормозит более слабое эфферентное возбуждение в другом полушарии, ослабляясь при этом на величину заторможенного антагониста. Следствием реципрокных отношений между парными слуховыми центрами является выход их афферентных возбуждений на «общий эфферентный путь» только одного из полушарий и формирование единого СЗО. Если благодаря реципрокным межполушарным отношениям «рождается» СЗО, то благодаря модулирующим влияниям неперекрещенного потока импульсов этот беспредметный и иллюзорный СЗО при дихотической стимуляции с интерауральной T латерализуется и приобретает в СЗП более дискретный градуальный азимут, о чем наглядно свидетельствуют глазодвигательные реакции и пальцеуказательные движения испытуемых при пошаговом нарастании интерауральной задержки (7, 19, 20). Ввиду общности среды обитания и поразительного сходства внутримозговой морфофизиологической организации слуховых систем высших животных-хищников и человека, есть все основания предполагать, что эволюция вооружила нас и идентичными механизмами звуколокализационной функции, необходимым узловым элементом которой является преобразование интерауральной T в межполушарную I.

Веским аргументом в пользу того, что именно неперекрещенные пути играют очень важную роль в возникновении феномена латерализации СЗО в пространстве СЗП, является факт отсутствия этого феномена у значительного количества детей раннего дошкольного возраста (от 3-х до 4,5 лет) при введении нарастающей или убывающей Т (7), хотя у тех же детей введение интерауральной I дает очень выраженный феномен латерализации. Если интерауральная асимметрия по I, неизбежно влекущая за собой соответствующую межполушарную асимметрию, дает эффект латерализации СЗО, то введение интерауральной асимметрии по Т у детей этого же возраста без предварительной латерализации приводит к его распаду на два противоположно расположенных в СЗП звуковых образа. Данный факт позволяет сделать вывод о том, что образующийся к началу четвертого года жизни ребенка СЗО оказывается очень «чувствительным» к введению интерауральных различий по ДТ и распадается на одинаковые по громкости монауральные компоненты при достижении интерауральной ДТ менее 1 мс, не латерализуясь перед этим в стороны опережающего уха. Общеизвестно, что у школьников и взрослых испытуемых распаду СЗО, происходящему при интерауральной Т больше 2 мс, всегда предшествует его латерализация в сторону опережающе стимулируемого уха (6), именно поэтому, при исследовании звуколокализационной функции метод дихотической стимуляцией сочетается с латерометрией. Факт распада СЗО без предварительной его латерализации свидетельствует о том, что межполушарный механизм, обеспечивающий из двух независимых перекрестных потоков афферентных импульсов формирование единого СЗО, созревает раньше, чем механизм, благодаря которому этот образ латерализуется в сторону ранее стимулируемого уха по азимуту, соответствующему величине интерауральной T.

Целью предлагаемого изобретения было разработка такого способа исследования механизмов пространственного слуха, который позволяет показать, что функция неперекрещенных путей у человека заключается в преобразовании интерауральной T в межполушарную I, безусловно устраняемую комплексной ориентировочной реакцией.

За прототип предлагаемого изобретения взят «Способ исследования нейропсихологических механизмов становления пространственного слуха у детей раннего дошкольного возраста» (9), включающий предъявление через головные телефоны дихотических звуковых щелчков. В прототипе испытуемому последовательно предъявляют дихотические пары с периодом отставления дихотических стимулов внутри пары 500 мс. В первом дихотическом стимуле интерауральная разница по времени предъявления правого и левого звуковых щелчков всегда равна нулю, а во втором - вводится нарастающая от нуля с шагом 100 мкс T до момента распада слитного звукового образа на два противоположно латерализованных звука. По конечной величине интерауральной T в прототипе судят о степени зрелости реципрокных взаимоотношений между парными слуховыми центрами.

Таким образом, в прототипе диагностируется лишь процесс созревания морфофизиологической основы, благодаря которой парносимметрично организованная слуховая система отражает дихотический стимул в виде единого СЗО, хотя каждая из ее подсистем в отдельности тоже способна формировать звуковой образ.

Предлагаемое изобретение является логическим продолжением прототипа по исследованию морфологических, нейрофизиологических и психофизиологических механизмов пространственного слуха, так как ставит своей целью раскрытие морфофизиологической природы важнейшего компонента мозговых механизмов пространственного слуха, который, преобразуя Т («время») в I («интенсивность»), придает единому СЗО более точный азимутальный параметр, определяет его объем и местоположение как во внешнем объективном пространстве, так и в СЗП испытуемых.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе исследования пространственного слуха, включающем предъявление через головные телефоны дихотических звуковых щелчков, в соответствии с изобретением сначала стимулируют только одно ухо серией последовательно суммирующихся подпороговых звуковых щелчков, число которых в серии доводит моноуральную стимуляцию до порогового уровня, после чего серийную моноуральную стимуляцию повторяют, но одновременно с завершающим стимулом серии предъявляют надпороговый одиночный щелчок на другое ухо, превращая последний звуковой стимул в серии в дихотический, и по локализации в субъективном звуковом поле звукового образа судят о морфофизиологическом состоянии неперекрещенных слуховых путей, а следовательно, и о состоянии звуколокализационной функции испытуемого.

Таким образом, для достижения поставленной цели в прототип вводятся следующие изменения. Во-первых, исследования проводятся на взрослых испытуемых, у которых введение в дихотический стимул только интерауральной Т приводит к возникновению феномена латерализации СЗО в сторону опережающе стимулируемого уха. Во-вторых, стимул, используемый в предлагаемом изобретении, представляет собой очень короткую по длительности серию стимулов, начинающуюся с монаурального предъявления 3-х или 4-х подпороговых звуковых щелчков на одно ухо и завершающуюся дихотическим стимулом с инрерауральной I. Дихотический стимул представляет из себя комбинацию из последнего подпорогового щелчка монауральной серии, подаваемой на одно ухо, с одновременно предъявляемым надпороговым одиночным щелчком на другое ухо. В-третьих, период следования субъективно невоспринимаемых подпороговых звуковых щелчков, как и завершающего серию субъективно воспринимаемого надпорогового звукового щелчка, подаваемого на другое ухо, равняется 0,5 мс.

Используемая в предлагаемом изобретении композиция дихотического стимула создает в парных слуховых центрах и полушариях в целом искусственную мозаику афферентных возбуждений, которой никогда не бывает в условиях естественной бинауральной стимуляции. Необычайность и искусственность этой мозаики заключается в том, что в одном полушарии она представлена фрагментом надпорогового звукового щелчка от противоположного уха, тогда как в другом полушарии афферентная мозаика - это последовательная постсинаптическая суммация серии подпороговых стимулов, пространственно объединяющихся с ипсилатеральным афферентным фрагментом от надпорогового звукового щелчка. Возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) от этого порогового звукового щелчка, пространственно-последовательно суммируясь с ВПСП от подпороговых стимулов и активируя последние, приводят к доминированию соответствующего слухового центра и полушария в целом, а следовательно, и к межполушарной асимметрии по I с преобладанием данного полушария. И именно это полушарие, в котором суммируются перекрещенные и неперекрещенные потоки афферентных импульсов, обеспечивает им выход на свой собственный эфферентный путь и тем самым проецирует СЗО в противоположную этому полушарию половину субъективного или объективного пространства (6). При этом азимут СЗО относительно точки пересечения срединно-сагиттальной плоскости головы и условной интерауральной прямой испытуемого в соответствующей половине пространства будет определяться уровнем громкости надпорогового звукового щелчка, который в электрическом эквиваленте не должен выходить за пределы двух реобаз по своему электрическому эквиваленту.

В источниках научно-технической и патентной информации не выявлены сведения об исследовании бинаурально-пространственного слуха представленным выше способом. На основании этого авторы считают, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям «патентоспособный», «новизна» и «изобретательский уровень».

Исследования проводят с помощью программно-аппаратного комплекса ПЭВМ IBM Pentium с тактовой частотой от 20 МГц и оперативной памятью от 32 мВ, внешнюю звуковую карту Extigy (24bit/96Hz/100dB) стереофонические наушники AKGK270S; пакет программ реализованных на языке С++ с помощью среды разработки Bilder С ++5,0, работающих в операционной системе Windows 9х, ME, 2000, NT. В качестве стимулов служат звуковые щелчки с минимальной длительностью электрического эквивалента 46 мкс. Пакет программ позволяет изменять параметры звуковой стимуляции, а именно предъявлять серии звуковых щелчков как монаурально, так и дихотически, изменять частоту следования их в диапазоне от 0,1 до 2000 Гц и громкость от порогового уровня до оптимального в пределах монаурально-дихотических серий и так далее.

Способ апробирован на 12 испытуемых-добровольцах 17-32 лет, у которых при предъявлении дихотических звуковых щелчков формировался слитный звуковой образ, а при введении нарастающей межушной задержки формировалось ощущение движения звукового образа в пределах интерауральной дуги.

В качестве звуковых стимулов использовались короткие звуковые щелчки (электрическая длительность стимула - 46 мкс), частота следования щелчков в серии - 2000 Гц.

Процедура исследования включала следующие этапы:

1. У испытуемого определяли монауральные слуховые пороги на одиночные звуковые щелчки. Интервал между последовательно предъявляемыми звуковыми сигналами составлял 10-15 сек, каждый сигнал подавали 4-5 раз. После команды «Слушаем!» начинали измерения, постепенно снижая интенсивности звучания. Порог определяли «методом границ». За порог принимали интенсивность сигнала, вероятность обнаружения которого составляла 75%.

2. Для каждого испытуемого определяли громкость надпорогового сигнала. В качестве исходного звукового сигнала брали щелчок пороговой громкости, громкость каждого последующего сигнала увеличивали до возникновения у испытуемого «тихого», но отчетливого звукового образа (щелчка).

3. Далее для каждого испытуемого монаурально подбирали такое количество подпороговых щелчков в серии, чтобы у него на основе последовательной суммации возникало ощущение образа звука. Было установлено, что данный эффект формировался у наших испытуемых, когда серия состояла из 3-5 подпороговых щелчков. Причем, лишь у 8 человек количество подпороговых щелчков в серии было одинаково для правого и левого уха.

4. На последнем этапе формировали сложную серию звуковых щелчков. Серия начиналась монауральными звуковыми щелчками предъявляемыми, например, на правое ухо, а заканчивалась дихотическим стимулом, а именно: на правое ухо продолжал предъявляться подпороговый сигнал, а на левое ухо одновременно с ним ( Т=0) предъявлялся сигнал надпороговой громкости (подбор громкости данного сигнала описан в пункте 2). В результате прослушивания такого стимула испытуемый слышал один звуковой образ, который локализовался внутри головы со стороны предъявления серии щелчков подпороговой интенсивности. Чаще всего ЗО был смещен на 10-15 градусов от средней линии головы в сторону подпороговой стимуляции.

Таким образом, у всех 12 испытуемых-добровольцев происходило «подавление» более «сильного» щелчка надпороговой громкости, а более «тихий» пороговый сигнал, состоящий из серии щелчков подпороговой силы, был слышен. Причем ощущался этот «тихий» стимул не в наушнике (как характерно для монауральной стимуляции), а внутри головы испытуемого. Морфофункциональной основой формирования таких ощущений у испытуемых служат ипсилатеральные пути, которые оказывают модулирующее влияние на работу основных контрлатеральных слуховых путей. В результате эффективность стимуляции полушария, которое получает стимуляцию по контрлатеральным и ипсилатеральным путям, оказывается более высокой, по сравнению с полушарием, получающим только контрлатеральную стимуляцию от надпорогового, т.е. более сильного стимула.

В случае отсутствия вклада ипсилатеральных слуховых путей в звуколокализационный механизм (у детей младшего дошкольного возраста, при патологии) звуковой образ при наличии межполушарного взаимодействия всегда будет локализоваться со стороны более сильной стимуляции. В случае же отсутствия реципрокных межполушарных связей (у детей младшего дошкольного возраста, при патологии) слушатель, в предлагаемых условия стимуляции, будет слышать два звуковых образа: «тихий» и «громкий», в соответствии со стороной стимуляции.

Источники информации

1. Альтман Я.А. Локализация звука. - Л.: Наука, 1972. - С.214.

2. Балонов Л.Я., Деглин В.Л. Слух и речь доминантного и недоминантного полушарий. - М: Наука, 1976. - 217 с.

3. Блауэрт Й. Пространственный слух. - М.: Энергия, 1979. - 224 с.

4. Дзугаева С.Б. Проводящие пути головного мозга человека. - М.: Медицина, 1975. - 254 с.

5. Косюга Ю.И. Механизмы нарушений локализации звуков при ыключении коккового уровня слуховой системы: автореф. дисс канд. мед. наук. - Н. Новгород., 1995. - 18 с.

6. Паренко М.К. Психофизиологические механизмы формирования пространственного образа звука и субъективного звукового поля. Дисс. докт.биол. наук. - Н. Новгород, 2009.- 266 с.

7. Паренко М.К., Кузнецова И.А., Агеева Е.Л., Щербаков В.И. Особенности восприятия дихотически предъявляемых звуковых щелчков детьми дошкольного возраста // Сенсорные системы. - 2009. - № .3. - Т.23. - С.196-207.

8. Паренко М.К., Щербаков В.И., Агеева Е.Л. Нейрофизиологический механизм трансформации интерауральных временных различий в азимут звукового образа при дихотической стимуляции / Материалы XV Международной конференции по нейрокибернетике. Том 1. Секционные доклады. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ 2009. - С.363-366.

9. Патент РФ на изобретение № 2454933. Способ исследования нейропсихологических механизмов становления пространственного слуха у детей раннего дошкольного возраста. Щербаков В.И., Паренко М.К., Кузнецова И.А., Егоров А.А., Суменкова Н.С.// Бюл. изобр. 2012. № 19.

10. Патент РФ на изобретение № 2131215. Способ исследования межполушарной сенсорной асимметрии. Паренко М.К., Маясова Т.В., Щербаков В.И., Алымов В.А. // Бюл. изобр. 1999. № 16.

11. Патент РФ на изобретение № 2198589. Способ исследования межполушарной сенсорной асимметрии. Щербаков В.И., Шеромова Н.Н., Полевая С.А., Паренко М.К. // Бюл. изобр. 2003. № 5.

12. Патент РФ на изобретение № 2207041. Способ исследования межполушарной сенсорной асимметрии. Щербаков В.И., Паренко М.К., Шеромова Н.Н., Полевая С.А. // Бюл. изобр. 2003. № 18.

13. Патент РФ на изобретение № 2255649. Способ исследования функционального состояния мозга. Щербаков В.И., Паренко М.К., Егоров А.А. // Бюл. изобр. 2005. № 19.

14. Розенцвейг М. Локализация источников звука // Восприятие: механизмы и модели. - М: Мир, 1974. - С.333-337.

15. Шеррингтон Ч. Интегративная деятельность нервной системы. - Л.: Наука, 1969. - 387 с.

16. Щербаков В.И., Косюга Ю.И. Физиологические механизмы пространственного слуха // Журнал высшей нервной деятельности. 1980. Т. 30. № 2. С.288-295.

17. Щербаков В.И., Паренко М.К., Агеева Е.Л. Нейрофизилогические механизмы реализации интерауральной временной задержки в бинауральном эффекте / Материалы XVI Международной конференции по нейрокибернетике. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2012. - Том 1. - С.158-161.

18. Щербаков В.И., Паренко М.К., Полевая С.А., Шеромова Н.Н. Влияние интенсивности дихотической стимуляции на формирование звукового образа и его локализацию в субъективном звуковогом поле // Сенсорные системы. 2003. Т. 17. № 2. С.166-173.

19. Щербаков В.И., Паренко М.К., Полевая С.А., Шеромова Н.Н. Возрастные особенности звукового восприятия при дихотической стимуляции // Сенсорные системы. 2001. Т. 15. № 4. С.316-323.

20. Щербаков В.И., Паренко М.К., Полевая С.А., Шеромова Н.Н. Возрастные особенности структуры субъективного звукового поля человека // Сенсорные системы. 2001. Т. 15. № 4. С.309-315.