Нобелевская премия по медицине  1961

Дьёрдь Бекеши
(1899-1972)
За открытие физических механизмов восприятия раздражения улиткой
Биография





Венгеро-американский физик Дьёрдь фон Бекеши (György von Békésy) родился 3 июня 1899 года в Будапеште, в семье Александра фон Бекеши, дипломата, и Паулы Бекеши (Мазали). Благодаря дипломатической деятельности своего отца Бекеши смог получить поистине разностороннее образование в учебных заведениях Будапешта, Мюнхена, Константинополя и Цюриха. С детства обладая хорошими музыкальными способностями, он хотел стать пианистом, но затем предпочел карьеру ученого. В 1916 г. он поступил в Бернский университет в Швейцарии и после некоторых колебаний выбрал для изучения физику. После Венгерской революции 1918 г. Бекеши вернулся на родину, как писал он впоследствии, «для участия в строительстве новой Венгрии». Прослужив в течение короткого времени в армии, он поступил в Будапештский университет и в 1923 году защитил в этом университете докторскую диссертацию, посвященную вопросам гидродинамики. После этого он поступил в научно-исследовательскую лабораторию венгерского министерства связи, которая занималась усовершенствованием только что установленной венгерской телефонной сети.

В связи с тем что некоторые европейские телефонные линии проходили через Венгрию, нарушения в венгерской телефонной сети вызывали рекламации других стран. Поэтому одним из первых поручений Бекеши было определить, какой из трех блоков сети – микрофоны, линии передачи или телефонные аппараты – наиболее нуждается в усовершенствовании. В предварительных исследованиях он установил, что слабым звеном являлись мембраны телефонных аппаратов, которые сильно искажали звуковые колебания в отличие от барабанной перепонки уха. В связи с этим Бекеши начал подробно исследовать физические свойства органов слуха.

Когда звуковые волны поступают в ушную раковину и наружный слуховой проход, они попадают на барабанную перепонку и вызывают ее колебания. Эти колебания через слуховые косточки среднего уха, действующие наподобие рычагов, передаются на улитку – спиральную трубку, расположенную в заполненной жидкостью полости внутреннего уха. По всей своей длине улитка перегорожена основной мембраной; на этой мембране расположен так называемый кортиев орган, включающий специализированные волосковые клетки. При колебаниях основной мембраны эти клетки возбуждаются и передают сигналы волокнам слуховых нервов. К середине 20-х гг. анатомия внутреннего уха была уже хорошо изучена, и, как писал позднее Бекеши, задача исследователя в основном свелась к тому, чтобы решить чисто механический вопрос: как вибрирует основная мембрана при действии на барабанную перепонку звукового давления? Если постановка задачи была делом сравнительно несложным, то постановка конкретных экспериментов была значительно трудней. Улитка человека – это очень маленькое образование (в самом широком месте ее сечение не превышает одного сантиметра), и, кроме того, она располагается в наиболее толстой части черепа. Более того, как вспоминал впоследствии Бекеши, «в те времена было общепризнанным, что механические свойства тканей уха после смерти быстро изменяются, и поэтому практически невозможно изучать эти свойства внутреннего уха человека». Одним из первых достижений Б. было то, что он показал: такие посмертные изменения обусловлены главным образом обезвоживанием, поэтому структуры уха, взятые у трупов, можно успешно изучать, если сохранять их, как и при жизни, во влажной среде. Поскольку многие свои эксперименты Бекеши ставил на мелких лабораторных животных типа морских свинок, улитка которых меньше, чем у человека, ему пришлось разработать новые хирургические инструменты и методики для доступа, изучения, манипулирования и регистрации активности различных компонентов внутреннего уха.

Это позволило Бекеши исследовать движения основной мембраны. В те времена существовали четыре теории, объясняющие восприятие ухом звуков разной высоты. Согласно одной из них, звук определенной высоты может вызывать колебания строго определенного участка мембраны; вторая утверждала, что звук вызывает волну, бегущую по длине мембраны; в соответствии с третьей теорией звук отражается от конца улитки и образует стоячую волну; наконец, четвертая гласила, что мембрана колеблется как единое целое. Впоследствии Бекеши писал: «Хотя в научных пособиях больше внимания уделялось различиям между этими четырьмя теориями, я решил подойти к проблеме с другой стороны и разобраться в том, что же у них есть общего». Он разработал модель мембраны из резины и показал, что, изменяя ее толщину, можно добиться любого типа колебаний из тех, которые предсказывала каждая теория. Из этого он сделал вывод, что для определения того, какая же из четырех теорий правильно описывает деятельность внутреннего уха, надо измерить его объемную эластичность. Его опыты показали, что колебания мембраны происходят по типу бегущей волны.

Основная мембрана неоднородна; у основания (ближе к среднему уху) она тоньше и более натянута, а у верхушки – толще и в большей степени «провисает». Волна определенной частоты, бегущая по улитке, вызывает колебания всех участков мембраны, однако один из них вибрирует сильнее остальных. Расположение этого участка зависит от частоты звука: если звук выше, он располагается ближе к среднему уху, а если ниже – ближе к верхушке. По волокнам слуховых нервов, отходящих от улитки, мозг получает информацию о локализации максимально вибрирующего участка и на этом основании распознает звуки разной высоты.

Все эти исследования Бекеши были проведены в лаборатории венгерского министерства связи, где он работал все 30-е гг. В 1939 г. он получил должность профессора экспериментальной физики в Будапештском университете, однако продолжал работать в лаборатории министерства связи. В конце второй мировой войны Будапешт пострадал от бомбардировок союзной авиации и был сильно разрушен, и в 1946 г. он эмигрировал, чтобы продолжить свои исследования в шведском Каролинском институте. Проработав здесь в течение года, он уехал в Соединенные Штаты и поступил в лабораторию психоакустики Гарвардского университета.

В Гарвардском университете Бекеши продолжал изучение основных биомеханических свойств внутреннего уха. Получив на этот счет достаточную информацию, он разработал расширенную модель улитки. Эта модель состояла из заполненной жидкостью пластиковой трубки, содержащей мембрану длиной 30 сантиметров; когда с помощью поршня вызывали колебания жидкости у одного конца трубки, по мембране распространялись бегущие волны. Вместо кортиева органа, содержащего рецепторный аппарат слухового анализатора, Бекеши использовал собственную руку, которую он клал на трубку. «Хотя бегущая волна распространялась по всей длине мембраны почти с одинаковой амплитудой, – писал Бекеши, – мне казалось, что вибрирует лишь участок мембраны длиной 2-3 сантиметра». Бекеши ощущал лишь пик бегущей волны, который при изменении частоты звуковых колебаний смещался вдоль улитки. «Тот простой факт, что хотя в модели колебания захватывают всю руку, но лишь небольшой ее участок кажется вибрирующим, доказывает, что нервное торможение должно играть важную роль в восприятии звука», – заключил Бекеши Этот вывод подтвердил его прежние представления о механизме анализа ухом частоты звуковых колебаний. Подобный механизм может действовать и в кортиевом органе; в пользу этого говорят и данные Дэвида Хьюбела и Торстена Визела, показавших впоследствии на примере зрительного анализатора, что торможение вокруг максимально возбужденной чувствительной области широко распространено в нервной системе человека.

К концу 50-х гг. Бекеши воссоздал полную картину биомеханики улитки, что привело к существенному прогрессу в диагностике и лечении нарушений слуха. Благодаря работам Бекеши современные отохирурги получили возможность вживлять искусственные барабанные перепонки, сделанные из участка кожи или вены, и даже заменять мелкие слуховые косточки пластмассовыми протезами.

В 1961 г. Бекеши был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытие физических механизмов восприятия раздражения улиткой». В своей приветственной речи исследователь из Каролинского института Карл Густаф Бернхард сказал: «Бекеши вооружил нас знанием физических процессов, происходящих на всех ключевых участках передачи звука в ухе». Кроме того, добавил он, «открытия Бекеши внесли важнейший вклад в анализ взаимоотношений между механическими и электрическими явлениями в рецепторах, отвечающих за преобразование звука в нервные импульсы».

В 1966 г. Бекеши стал профессором Гавайского университета, где и проработал до конца жизни. Занимаясь исследованием слухового анализатора, он заинтересовался закономерностями, общими для всех видов чувствительности, в частности для осязания и вкуса.

Бекеши всю свою жизнь оставался холостяком, его увлечением было искусство. Страстный коллекционер произведений искусства, особенно восточного, он завещал всю свою коллекцию Нобелевскому фонду. Скончался 13 июня 1972 году на Гавайях, в Гонолулу.

Кроме Нобелевской премии, Бекеши был удостоен медали Лейбница Германской академии наук (1937), Академической премии Венгерской академии наук (1946) и медали Говарда Кросби Уоррена Американского общества психологов-экспериментаторов (1955). Он был членом американской Национальной академии наук и имел почетные степени Университета Вильгельма и Бернского университета.