ВОСПРИЯТИЕ УЛЬТРАЗВУКА

К основным параметрам слуховой системы, лимитирующим возможности импульсного эхолокатора, можно отнести:
- пороговую чувствительность к коротким щелчкам, сходным с зондирующими сигналами. От чувствительности приемного устройства зависят максимальный радиус действия эхолокационной системы и надежность обнаружения препятствий на меньших дальностях;
- временное разрешение, необходимое для разделения собственного зондирующего импульса и следующего за ним эха. В свою очередь, эхосигнал может иметь усложненную временную структуру в результате отражения от предметов, находящихся на разных расстояниях от локатора. Способность разделять отдельные компоненты такого сигнала определяет линейное разрешение системы в глубину пространства;
- спектральное разрешение: усложнение временной структуры эхосигнала может привести к существенному искажению его спектра по сравнению со спектром исходного зондирующего щелчка. Воспринимающая система должна быть малочувствительной к искажениям такого рода;
- динамический диапазон и точность представления амплитуды входного сигнала в ЦНС. У совок оценка направления прихода звука осуществляется по интерауральным различиям, то есть на основе анализа амплитуды входного сигнала. Следовательно, оба эти параметра приемника накладывают ограничения на точность угловой локализации источника эха.

Тимпанальные органы (ТО) совок расположены латерально-симметрично в задней части метаторакального сегмента (Roeder, Treat, 1957). Тимпанальная полость является частью трахейной системы, её внутренняя поверхность выстлана трахеальным эпителием. Внешняя часть ТО представляет собой открытую полость под названием "капюшон" и напоминает по внешнему виду и функциям наружное ухо млекопитающих.

Каждый ТО содержит по три рецепторные клетки: A1 и A2, реагирующие на колебания тимпанальной мембраны, и нечувствительную к звуку клетку B. Физиологический порог рецептора A1 в среднем в десять раз ниже, чем у A2. Минимальные значения порогов ТО при стимуляции длительными тональными сигналами составляют по данным разных исследователей от 33 до 37 дБ УЗД.

Нерв, включающий волокна сенсорных нейронов заднего крыла и три аксона тимпанального рецепторного комплекса, входит в метаторакальный ганглий. Ветвление отростков клетки A2 не распространяется за пределы мета - и мезоторакальных ганглиев, тогда как аксоны нейронов A1 и B образуют ветвления во всех трех грудных ганглиях, причём аксон A1  простирается, по крайней мере, до подглоточного ганглия (Surlykke, Miller, 1982).

После первого деления аксона клетки B одна из коллатералей простирается назад и имеет несколько коротких отростков в стороны. Передняя коллатераль образует отростки, заканчивающиеся в проторакальном ганглии. В целом можно отметить, что аксоны клеток A1 и B в пределах грудных ганглиев образуют очень сходные ветвления.

Согласно данным Редера (Roeder, 1966b) клетки A1 связаны с релейными (R) интернейронами, которые далее передают афферентные сигналы с незначительными преобразованиями к другим ипси - и контралатеральным областям мезо - и проторакального ганглиев и к ипсилатеральным шейным коннективам, однако информация с контралатеральной стороны на работу R-нейронов не влияет. Скорость адаптации R-нейронов существенно варьирует, но в среднем выше, чем у слуховых рецепторов, поэтому они лучше подчеркивают фронты нарастания стимулов.
На последующих этапах обработки акустической информации сигнал преобразуется интернейронами второго порядка - маркерами пульса (PM). Отдельной звуковой посылке соответствуют один - два спайка в ответе нейрона PM. Такие параметры, как интенсивность звука и его продолжительность полностью нивелируются в величине ответов этих интернейронов. У совок латентный период передачи возбуждения от рецепторов к интернейронам типа R составляет в среднем 0,7 мс (Coro, Alonso, 1989). Эти авторы обнаружили также нейрон, который по своим физиологическим характеристикам напоминал сумматор входов рецепторов A1 и A2. Задержка возбуждения этого нейрона относительно разрядов клеток A1 и A2 составляла 1,1-1,5 мс, что указывает на его прямую связь с рецепторами. Некоторые из описанных интернейронов были прокрашены внутриклеточно красителем Lucifer yellow (Boyan, Fullard, 1986). Как оказалось, ветвления этих нейронов проецируются в те области нейропиля, где локализованы мотонейроны полёта. Таким образом, выходы описанных нейронов могут непосредственно влиять на работу фонотаксических программ. Это было подтверждено при исследовании влияния слухового входа на активность грудных мотонейронов: акустическая стимуляция вызывала синхронную модуляцию этой активности как возбуждающего, так и тормозного характера (Madsen, Miller, 1987).

Чувствительность тимпанальных органов к коротким акустическим сигналам. В зависимости от уровня стимула наиболее чувствительный слуховой рецептор  A1 отвечает на каждый акустический импульс одним или несколькими (4-5) спайками.

При действии импульсных стимулов с физическими характеристиками, близкими к собственным щелчкам совок динамический диапазон рецептора A1 (от порогового значения Th до уровня насыщения ответа при большой амплитуде сигнала) составляет порядка 20 дБ (Лапшин, Фёдорова, 1996). Порог (Th) при вероятности ответа рецептора p=0.8 в среднем равен 61 дб УЗД (измерено в условиях острого опыта при тестировании 12 экземпляров совок  Amphipyra perflua).   В пределах динамического диапазона латентный период появления первого спайка в ответе A1 уменьшается с ростом амплитуды от 4 до 3 мс в диапазоне (Th+2)-(Th+10) дБ, при больших уровнях стимула наблюдается обратная тенденция.

Измерения порогов двигательной активности летящих интактных совок при стимуляции сериями коротких тональных посылок показали высокую чувствительность бабочек к ультразвукам - порядка 20-40 дБ УЗД (Лапшин, Воронцов, 2000). Учитывая полученную ранее другими авторами зависимость порогов от длительности стимула (Surlykke et al., 1988), можно предположить, что пороги ТО совок к щелчкам выше зарегистрированных в поведенческих экспериментах значений примерно на 5 дБ, т.е. Th=25-45 (дБ). Эта оценка на 10-20 дБ ниже тех значений, которые были получены ранее в условиях острого опыта. 

Знание амплитуды щелчков совок и чувствительности бабочек к аналогичным сигналам позволило оценить дальность действия эхолокационной системы, которая, как показали расчёты, может составлять от 10 до 22 см.

Временное разрешение тимпанальных органов. Возможность реализации эхолокатора во многом определяется временным разрешением приемного устройства - его способностью воспринимать эхо вскоре после эмиссии зондирующего сигнала. Временное разрешение также влияет на способность системы различать несколько предметов в глубину пространства.
Совки по сравнению с позвоночными животными, использующими эхолокацию, имеют значительно меньшие размеры (длина крыла совки среднего размера 2,5-3 см). Так как для нормальной ориентации минимальные дальности восприятия эха должны быть соизмеримы с габаритами самого животного, становится весьма актуальным вопрос о способности бабочек лоцировать с малых расстояний (3-20 см), которым соответствуют задержки эха порядка 0,18-1,2 мс.
Теоретические оценки временного разрешения тимпанальной мембраны при разных исходных допущениях дают значение 0,18-0,35 мс (Лапшин, Фёдорова, 1996), то есть механическая часть ТО допускает разделение прямого и отраженного сигналов. Однако, как показали наши эксперименты, наиболее чувствительный акустический рецептор A1 способен раздельно воспринимать два последовательных щелчка с интервалом следования не менее 3 мс.

Таким образом, эхолокация у совок возможна только при условии, что слуховые рецепторы не будут реагировать на собственные сигналы бабочки, в противном случае, эхо по времени будет приходиться либо на момент генерации потенциала действия, либо на период рефрактерности слуховых рецепторов.
Есть основания полагать, что собственные щелчки бабочек вызывают парадоксальную реакцию слуховых рецепторов - подавление их активности в течение некоторого периода времени. Следует отметить, что эффекты снижения реакций рецепторов на громкие сигналы уже известны у летучих мышей (Матюшкин, 1969) и бабочек (Perez, Coro, 1985).

Спектральная чувствительность. Слуховая система совок имеет область пониженных порогов в диапазоне частот 15-30 кГц, но сохраняет чувствительность в значительно более широком диапазоне - от 10 до 100 кГц и более. Локальное уменьшение порогов связано с действием механического резонанса тимпанальной мембраны (Adams, 1972; Schiolten et. al., 1981). Общепринятой является гипотеза, согласно которой совки не способны к частотному анализу, хотя на уровне поведения бабочек достоверность этого суждения никто не проверял. Вывод о неспособности совок различать частоты основан только на идентичности частотных характеристик слуховых рецепторов A1 и A2, полученных на наркотизированных насекомых (Suga, 1961).

Пороги рецептора A1 на короткие акустические щелчки в целом выше по сравнению с порогами на тональные стимулы, причём при частоте заполнения щелчка выше 45 кГц чувствительность тимпанальных органов практически не зависит от длительности стимула и его несущей частоты  и, тем самым, от спектральных характеристик стимула. Минимальный зарегистрированный порог у совок  Mamestra brassicae L. в диапазоне выше 45 кГц составил 55 дБ УЗД (Жантиев и др., 1993).
Анализ математической модели колебательных процессов в тимпанальном органе при действии импульсных стимулов показал, что форма экспериментально измеренных частотных характеристик во многом определяется действием механических переходных процессов на тимпанальной мембране (Лапшин, 1994).
Частотно-пороговые кривые, построенные по двигательным ответам совок на тональные стимулы, по форме существенно отличаются от аудиограмм, полученных в электрофизиологических экспериментах. Главное отличие - большинство поведенческих аудиограмм   не имеет четко выраженного максимума чувствительности в пределах исследованного частотного диапазона (Лапшин, Воронцов, 2000). Для объяснения такого несовпадения результатов нами была выдвинута гипотеза, согласно которой частота механического резонанса тимпанальной мембраны у летящих бабочек не является фиксированной (как это следует из результатов электрофизиологических экспериментов), а циклически варьирует в определённом диапазоне.
При экспериментальной проверке этой гипотезы необходимо было научиться аппаратно определять такие моменты -"точки отсчёта", к которым слуховая система бабочки в процессе повторяющихся перестроек подходит с близкими значениями своих акустических параметров. Естественно было бы предположить, что в моменты эмиссии эхолокационных щелчков слуховая система совок оптимизирована для восприятия эха. Тогда сами щелчки можно было бы использовать в качестве "точек отсчёта" при изучении процессов перестройки акустических параметров ТО. В рамках реализации этой идеи бабочкам предъявляли стимулы, следовавшие с малой задержкой (1 мс) после эмиссии собственного щелчка (Воронцов, Лапшин, 2002.). Ответом насекомого на стимул (реакцией) считали существенное (в 2 и более раз) увеличение средней частоты эмиссии щелчков на фоне интервала действия стимулов (1.4 с) и следующие за ним 2 с наблюдения. На рисунке (кривая "а") приведена усреднённая аудиограмма, построенная по результатам 8 экспериментов. При увеличении частоты заполнения стимула от 10 до 40 кГц пороги реакций монотонно снижались, минимальные их значения у всех исследованных бабочек располагались в диапазоне 40-50 кГц и у разных экземпляров составляли от 25 до 30 дБ УЗД. Из сопоставления формы спектра щелчка совки и аудиограммы видно, что слуховая система при малых задержках"настроена" на спектральный пик собственного сигнала бабочки.

Иная картина наблюдалась при стимуляции совок тональными посылками, задержанными относительно их собственных щелчков на 15 мс, то есть на время, составляющее немного больше половины периода взмаха крыльями у бабочек данного вида. При таких условиях стимуляции (кривая б) основной минимум на аудиограммах наблюдался в диапазоне частот 25-30 кГц, то есть оптимум чувствительности оказался сдвинутым "вниз" по сравнению с предыдущей серией на 25 кГц. Полученные в этой серии опытов частотно-пороговые характеристики оказались сходными по форме с аудиограммами, построенными по результатам электрофизиологических экспериментов (Surlykke, 1986; Жантиев, Фёдорова, 1988; Жантиев и др., 1993).
Возможность перестройки частоты основного резонанса тимпанальной мембраны ранее была обоснована экспериментально (Callahan, Carlysle, 1972). Авторы показали, что в слуховой системе бабочек действует обратная связь от слуховой системы к мышцам метаторакса: за счет сокращения мышц изменяется натяжение тимпанальной мембраны и, следовательно, частота её механического резонанса. Таким образом, специфику вариаций формы поведенческих аудиограмм совок можно объяснить периодическим сдвигом резонансной частоты мембраны.
Бабочки, способные оперативно менять настройку тимпанальных органов, в принципе могут анализировать спектры длительных сигналов. Это дает им возможность более эффективно различать эхолокационные крики летучих мышей на фоне других ритмичных звуков, например, нейтральных для бабочек призывных сигналов кузнечиков массовых видов.

Дирекциональная характеристика ТО в горизонтальной плоскости представляет собой широкий лепесток, ориентированный примерно перпендикулярно продольной оси тела бабочки (Roeder, Treat, 1961b; Payne et al., 1966). Определение направления прихода звука обеспечивается за счет интерауральных различий по амплитуде, достигающих для тональных звуковых посылок порядка 20-30 дБ (Coro et al., 1986).

На диаграмму направленности ТО сильное влияние оказывает положение крыльев бабочки. В частности, при опущенных вниз крыльях ТО наиболее чувствительны к звукам, приходящим снизу, при этом латеральная асимметрия восприятия ТО дополняется дорсовентральной, при которой каждый слуховой орган воспринимает звуки с нижней стороны с чувствительностью на 10-20 дБ более высокой по сравнению с направлением в верхнюю полусферу (Payne et al., 1966).
На основе анализа динамического диапазона слуховых рецепторов и измеренных ранее дирекциональных характеристик ТО (Payne et al., 1966; Coro et al., 1986), нами была проведена теоретическая оценка углового разрешения эхолокационной системы совок (Лапшин, Федорова, 1996). При оптимальной амплитуде входного сигнала (т.е. при полной реализации динамического диапазона) наиболее высокое угловое разрешение оказалось равным 18° (два симметричных сектора 42-60° относительно продольной оси насекомого). Однако в пределах секторов (-90°) - (-60°); (-26°) - (+26°) и (+60°) - (+90°) бабочка не способна оценить возможные изменения в угловом положении источника эха.

Функции B-клетки. В импульсном эхолокаторе отсчет времени запаздывания эха производится от момента излучения зондирующего сигнала. Вместе с тем, как уже было сказано выше, необходимым условием для реализации такого типа локатора является подавление реакции приемного устройства на собственный импульс. Следовательно, для регистрации момента эмиссии зондирующего щелчка необходим специальный неслуховой рецептор. Такой рецептор мог бы обладать следующими свойствами:
- реагировать на механическую деформацию кутикулы, но не реагировать на звук;
- находиться в непосредственной близости от ТО;
- иметь проекции в зоны обработки слуховой информации ЦНС.
Этими условиям в наибольшей степени отвечает нечувствительный к звуку нейрон тимпанального органа, названный B-клеткой,  функциональное назначение которого ранее не было определено.
Для того чтобы выяснить, как B-клетка реагирует на собственный щелчок, необходимо было активировать механизм акустической эмиссии непосредственно в электрофизиологическом эксперименте. У совок разрыв соединения крыла со скутумом сопровождается сильным сотрясением тела насекомого - это резко затрудняет качественную регистрацию электрической активности в тимпанальном нерве. У медведиц, бабочек близкого совкам семейства, акустический генератор тимбального типа расположен на метэпистернах (Blest et al., 1963). Осторожно надавливая на поверхность тимбала, можно получить щелчок в момент скачкообразного прогиба кутикулы. Такие эксперименты нами были проведены на медведицах A. caja (Лапшин, Фёдорова, 2000).
В ответ на вызванные щелчки в тимпанальном нерве медведиц нами были зарегистрированы синхронные пачки высокоамплитудных разрядов (активность клетки B).

Наряду с ними наблюдались также спайки меньшей амплитуды. Для выяснения принадлежности этих спайков препараты дополнительно стимулировали ультразвуковыми щелчками (88 дБ УЗД). Нейрон, активность которого была представлена спайками средней амплитуды (примерно в два раза меньшей по сравнению с разрядами клетки B), разряжался в ответ на каждый звуковой щелчок двумя последовательными разрядами с латентным периодом и временным рисунком, характерными для слуховой клетки A1 (верхняя гистограмма). Высоко - и низкоамплитудные нейроны на такие звуки не реагировали. Таким образом, можно сделать вывод, что среднеамплитудные спайки представляли активность клетки A1 , а низкоамплитудные - принадлежали слуховому рецептору A2, порог которого, как известно, на 20-30 дБ выше по сравнению с A1.

Из суммарной нейронной активности того же препарата амплитудным дискриминатором были выделены спайки, имевшие амплитуду, близкую к амплитуде разрядов клетки A1 (их амплитуда теперь была известна), и исследован характер распределения спайков во времени непосредственно после генерации тимбальных щелчков (средняя гистограмма).  Если считать все импульсы, попавшие в "окно" дискриминатора, разрядами рецептора A1, то можно сделать вывод, что характер реакций этого рецептора на внешние звуки  и на собственные щелчки существенно различен по степени выраженности и латентному периоду.
Распределение высокоамплитудных спайков клетки B (нижняя гистограмма) представлено тремя пиками, отстоящими приблизительно на 4, 6 и 8 мс от момента генерации тимбального щелчка. Если соотнести две гистограммы, различающиеся по амплитуде накопленных импульсов, то на каждой из них можно выявить группы, имеющие сходное положение пиков на временной оси - эти группы на рисунке отмечены пунктирными линиями. Повторяемость структурных деталей указывает на то, что в обеих гистограммах представлена активность одного и того же нейрона, но с большой дисперсией амплитуды спайков. Учитывая прежде всего стабильность временных характеристик выделенных групп на гистограммах, их в сумме можно отнести к активности клетки B. Анализ осциллограмм показал, что изменчивость амплитуды регистрируемых разрядов является следствием суперпозиции активности трех рецепторов ТО при их суммарном отведении от тимпанального нерва. Этот эффект мог существенно влиять на результаты разделения спайков по амплитуде.
Таким образом, вполне вероятно, что на современном этапе эволюции слуховой системы бабочек надсемейства Noctuoidea клетка B является рецептором собственных звуков насекомого.
Акустический импульс и его вибрационный компонент, распространяющийся по кутикуле, должны воздействовать не только на чувствительные элементы ТО, но и на другие механорецепторы бабочки. Если клетка B является детектором собственных щелчков, становится понятным физиологический смысл развитых ветвлений этой клетки во всех трёх грудных ганглиях (Surlykke, Miller, 1982) - необходимость обрабатывать отклики на собственную акустическую эмиссию, поступающие в ЦНС от многочисленных механорецепторов, расположенных на теле и крыльях насекомого.
На гистограммах видно, что реакции клетки A1 на искусственно вызванные тимбальные щелчки заметно слабее, чем на внешние звуковые стимулы, имевшие, к тому же, значительно меньшую амплитуду по сравнению с тимбальными. В некоторых регистрациях ответ рецептора A1 на тимбальный щелчок вообще не был выражен, то есть у представителей близкого совкам семейства медведиц наблюдается подавление активности слуховых рецепторов после эмиссии собственного щелчка. Если слуховые рецепторы совок имеют сходные характеристики, то снимаются физиологические ограничения на возможность эхолокации у этих бабочек. В задачу последующих исследований входило определение способности совок воспринимать стимулы, сходные с эхом от их собственных щелчков.

акустические сигналы

в начало

исследование эхолокации