Как мозг учится распознавать звуки через кохлеарный имплантат

N+1Наука

Я вас услышала

Как мозг учится распознавать звуки через кохлеарный имплантат

Мария Пази

Вразнобой с шумом дождя врач настойчиво стучит костяшками по столу, хлопает в ладоши, звенит колокольчиком и спрашивает: «Вам не больно?» Нет, не больно. Причудливо, конечно, но не больно. Из кабинета я выйду в неприятно звенящий и пищащий мир: топот малышей по больничному коридору станет металлическим, разговор мам на лавочке — неразборчиво поскрипывающим, а дождь за окном зашкворчит маслом. Через двадцать минут в другом кабинете другой врач будет отчетливо шипеть «шишка», вальяжно окать «гладиолус» и шептать что-то неразборчивое, кокетливо прикрыв рот веером. Позвенит в колокольчик, постучит в барабан, побренчит бубном. Удовлетворенно отметит в карточке, что колокольчик от барабана я отличаю в меру уверенно.

В этом медицинском безумии есть смысл. В ноябре 2021 года мне впервые подключили кохлеарный имплантат.

Первый врач, аудиолог, настраивает электроды, имплантированные во внутреннее ухо и стимулирующие слуховой нерв. Второй, сурдопедагог, проверяет, позволяет ли подобранная настройка электродов разбирать звуки и речь. В первый день подключения успехи были сдержанными. В скрипе и писке имплантата я начала разбирать гласные: окающий писк, акающий писк и укающий писк. К вечеру — отличила мычание коровы от ржания лошади.

Спустя полтора года после имплантации я разбираю шепот, отличаю интонации и слушаю музыку. Имплантат работает. Беда в том, что ни я, ни врачи не знаем наверняка, почему он работает. Аудиолог настраивает входящий сигнал: подкручивает напряжение на электродах так, чтобы звуки были разборчивыми, но не вызывали неприятных ощущений. Сурдопедагог работает с исходящим: проверяет, что я могу услышать, разобрать и повторить вслух. Посередине находится черный ящик — в темноте черепной коробки мозг как-то адаптировался к новому кодированию слуховых сигналов. Большой вопрос — как он это сделал?

Кохлеарный имплантат — первый и пока единственный успешный пример использования электронного устройства для замены органа чувств. Начиная с 1960-х имплантаты восстановили слух у более чем 800 тысяч пациентов. Клинический успех сопровождался взрывным ростом исследований: более 15 тысяч статей с 2000 года. Тем не менее, мы все еще не знаем, как слуховая система мозга адаптируется к электронному органу чувств.

Слышу

Если слуховая система работает нормально, то она самостоятельно превращает звуковую волну в электрический сигнал, который может распознать мозг. Сначала волна попадает в ушную раковину и слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. Перепонка вибрирует и передает колебания трем косточкам среднего уха: молоточку, наковальне и стремечку. Косточки передают дребезжание во внутреннее ухо.

Внутреннее ухо — закрученная спиралью структура, напоминающая улитку, — заполнено жидкостью. Эластичная мембрана проходит вдоль улитки от начала до конца, разделяя ее на верхнюю и нижнюю половины. Мембрана служит опорой для населяющих улитку чувствительных клеток — волосковых клеток. Когда вибрации передаются от косточек во внутреннее ухо, жидкость внутри улитки колеблется и вдоль мембраны бежит волна.

Чувствительные клетки вместе с мембраной движутся вверх или вниз, поэтому похожие на волоски выступы на вершине клеток изгибаются. Изгиб волосков приводит к открытию ионных каналов, ионы устремляются внутрь клетки, создавая электрический сигнал. От волосковых клеток сигнал переходит к отросткам ганглиозных клеток1. А дальше — идет по слуховому нерву в мозг, где в центрах слуха превращается в слуховой образ.

1Это клетки спиральных ганглиев — скоплений чувствительных нейронов, расположенных на протяжении всей улитки

Строение органа слуха. N + 1

Считается, что волосковые клетки в зависимости от положения в улитке предпочитают, то есть лучше реагируют на разные частоты. Согласно тонотопической («частотно-зональной») теории, те волосковидные клетки, которые оказались ближе к вершине улитки, лучше реагируют на низкие звуки (например лай собаки), а те, которые ближе к основанию, — лучше чувствуют высокие звуки (вроде трели соловья). Чем-то это напоминает фортепиано, где высота звука растет слева направо.

052811fc1066665f26886ad0e8fed42a.jpg
Улитка, раскрашенная в соответствии с прогнозируемой «наилучшей» частотой, которую воспринимают клетки в каждой области спирали. В основании улитки клетки наиболее чувствительны к частоте 1300 герц, на ее кончике — к 55 герц. G. Burnwood et al. / Science Advances, 2022

Правда, недавно ученые обнаружили, что у морских свинок восприятие низких частот (менее 1000 герц) идет не в отдельном небольшом сегменте, а практически в половине спирали улитки — примерно с ее середины до верхушки. Поэтому, возможно, тонотопическая теория справедлива не до конца.

Не слышу

Человек теряет слух, если ломается какой-то из элементов слуховой системы. Барабанная перепонка может порваться. Молоточек, наковальня и стремечко могут окостенеть и перестать двигаться друг относительно друга. Слуховой нерв может пострадать при невриноме или при черепно-мозговой травме. Улитка — окостенеть из-за менингита или аутоиммунного заболевания. Наконец, волосковые клетки могут умереть из-за вирусной инфекции (вроде герпеса и краснухи) или мутации.

В моем случае произошло последнее. Из-за мутации (непонятно, правда, какой — потому что генетические предпосылки развития поздней тугоухости только начали исследовать) клавиши слухового фортепиано выпадали одна за другой: сначала умерли те, которые отвечали за средние частоты, потом пропали высокие звуки и, наконец, сдались и низкие. Мир становился все тише: пропал шепот, заглох дверной звонок, а речь стала неразборчивой.

После операции функции моих погибших клеток взяли на себя четыре компонента кохлеарного имплантата:

  • микрофон, который улавливает звук и преобразует его в электрический сигнал;
  • процессор, который разбивает полученный сигнал по диапазонам частот;
  • приемник, который передает раздробленный по частотам сигнал на электроды;
  • электродная матрица из 8–22 электродов, которая сворачивается спиралью по улитке внутреннего уха.

Работа кохлеарных имплантатов опирается на логику частотно-зональной теории слуха. При этом электроды преимущественно располагаются в нижних поворотах улитки, где теория работает. До верхушки, где зональное кодирование, возможно, дает сбой, электроды доходят редко. Матрица вставляется так, что различные волокна слухового нерва стимулируются от электродов в разных зонах улитки: электроды у основания передают высокочастотные сигналы, электроды ближе к вершине — низкочастотные.

Входящий сигнал приходится разбивать на частотные диапазоны, предназначенные для разных электродов. Тут кроется сложность: естественная протяженная система из частично перекрывающихся полей кодирования заменяется на неестественную — дискретную, ограниченную числом электродов. Как будто 85 клавиш фортепиано нажимаются не по отдельности, а сразу октавами. Мозгу надо привыкнуть к этой новой, несколько обедненной, мозаике стимуляции. Поэтому, вероятно, создатели первых кохлеарных имплантатов не ожидали, что такая стимуляция сможет когда-либо полностью вернуть слух.

 

Сверху — схема кохлеарного имплантата. Снизу — рентгеновский снимок автора, на котором видны электроды и катушка передатчика. N + 1; Мария Пази

Когда в 1957 год Андре Джорно и Чарльз Эйрис впервые использовали электрод для стимуляции слухового нерва, пациент мог разве что отличить громкий звук от тихого. В 1961 году известие о французском эксперименте дошло до Уильяма Хауса, американского хирурга. Вместе с инженером Джеком Урбаном они разработали первый кохлеарный имплантат из одного электрода. Пациент стал немного лучше разбирать речь.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Издательский проект Петра Первого: Илья Копиевский и новые русские книги» «Издательский проект Петра Первого: Илья Копиевский и новые русские книги»

Как был устроен перенос научно-технических знаний на русский язык

N+1
Снова запутались волосы? Возможно у вас генетическое заболевание, известное как синдром нерасчесываемых волос Снова запутались волосы? Возможно у вас генетическое заболевание, известное как синдром нерасчесываемых волос

Почему волосы путаются?

ТехИнсайдер
В палеолитическом пещерном святилище впервые нашли голубые краски В палеолитическом пещерном святилище впервые нашли голубые краски

Люди эпохи верхнего палеолита пользовались красками голубых оттенков

N+1
Как перенести файлы с Android на ваш компьютер Как перенести файлы с Android на ваш компьютер

Как быстро и легко отправить фотографии и файлы со смартфона на компьютер

ТехИнсайдер
От Цезаря до эльфа Добби: что такое иллеизм и зачем говорить о себе в третьем лице От Цезаря до эльфа Добби: что такое иллеизм и зачем говорить о себе в третьем лице

Почему люди говорят о себе в третьем лице и как это помогает решать конфликты?

Forbes
10 самых перспективных российских предпринимателей моложе 30 лет — 2023 10 самых перспективных российских предпринимателей моложе 30 лет — 2023

Десятка самых перспективных бизнесменов России

Forbes
Какие права на квадроцикл нужны и можно ли ездить без прав Какие права на квадроцикл нужны и можно ли ездить без прав

Нужны ли права для управления квадроциклом и как их получить?

РБК
Тихая американка Тихая американка

«Звезды в полдень»: эротический шпионский триллер Клер Дени

Weekend
Правила западни Правила западни

«Уловка-22»: как выжить нормальному человеку в абсурдном мире

Weekend
Почему мы изменяем: виной тому «паралич выбора»? Почему мы изменяем: виной тому «паралич выбора»?

Как современный мир «подталкивает» людей на измены

Psychologies
Финские физики разобрались в кажущейся тишине криков против ветра Финские физики разобрались в кажущейся тишине криков против ветра

Откуда берется убеждение о неэффективности крика против ветра?

N+1
Секрет пашота: как яйцо бенедикт стало одним из самых популярных блюд в мире Секрет пашота: как яйцо бенедикт стало одним из самых популярных блюд в мире

Разбираемся в феномене яйца бенедикт

Forbes
Африканские пингвины за тысячелетия научились Африканские пингвины за тысячелетия научились

Как африканские пингвины приспосабливаются к новым условиям жизни?

ТехИнсайдер
Натуральные обезболивающие: 10 продуктов, которые помогают справиться с любыми видами болей Натуральные обезболивающие: 10 продуктов, которые помогают справиться с любыми видами болей

Продукты, которые благодаря своим противовоспалительным облегчают боль

ТехИнсайдер
10 неожиданных фактов о китайском пиве 10 неожиданных фактов о китайском пиве

Варить пиво в Китае начали не так давно, но делают это очень интересно

Maxim
Это нейробаза Это нейробаза

Кратко объясняем ключевые термины из области ИИ

N+1
Жаришь или отжигаешь? Как знаки зодиака отдыхают на майских шашлыках Жаришь или отжигаешь? Как знаки зодиака отдыхают на майских шашлыках

Наш Магический шар рассказывает, как именно знаки зодиака отдыхают на шашлыках

VOICE
Как определить хорошего любовника, не снимая одежды? 5 лайфхаков от сексолога Как определить хорошего любовника, не снимая одежды? 5 лайфхаков от сексолога

Качества хорошего любовника, которые можно распознать в самом начале общения

Psychologies
8 вопросов, которые стоит задать психотерапевту перед началом работы 8 вопросов, которые стоит задать психотерапевту перед началом работы

Поиск подходящего психотерапевта может оказаться непростой задачей

Psychologies
Это сформировало XXI век! Интересные факты о кинофраншизе «Матрица» Это сформировало XXI век! Интересные факты о кинофраншизе «Матрица»

«Матрица» все еще продолжает оказывать влияние на всех киноделов планеты

ТехИнсайдер
Я — сноб: актер Никита Ефремов Я — сноб: актер Никита Ефремов

Актер Никита Ефремов — о любимой музыке и мечте посетить Непал

СНОБ
Миллионы за марафоны: кто такая Елена Блиновская - чем известна и в чем провинилась Миллионы за марафоны: кто такая Елена Блиновская - чем известна и в чем провинилась

Главные факты о "королеве марафонов" и самой известной инфоцыганке рунета

VOICE
Только не гугли: чем опасна самодиагностика по статьям из Интернета? Только не гугли: чем опасна самодиагностика по статьям из Интернета?

Почему не стоит увлекаться самодиагностикой?

Здоровье
6 секретов красоты вечно занятых женщин: с ними ты будешь выглядеть неотразимо! 6 секретов красоты вечно занятых женщин: с ними ты будешь выглядеть неотразимо!

Как бизнесвумен удается успевать все по работе и так прекрасно выглядеть?

VOICE
Кофе с лимоном помогает худеть? Объяснение эксперта Кофе с лимоном помогает худеть? Объяснение эксперта

Необычный способ избавления от лишнего веса

ТехИнсайдер
«Индюшачья шея» «Индюшачья шея»

Старение шеи: что за напасть и как с ней бороться

Лиза
Тайный сын Гитлера? Как воевавший против нацистов француз пытался доказать, что он сын диктатора Тайный сын Гитлера? Как воевавший против нацистов француз пытался доказать, что он сын диктатора

Моральные убеждения некоторых людей не отменяют их желания узнать свои корни

ТехИнсайдер
Свободная от льда Антарктида позволяла динозаврам мигрировать с континента на континент Свободная от льда Антарктида позволяла динозаврам мигрировать с континента на континент

Динозавры путешествовали через Антарктиду из Южной Америки в Австралию

ТехИнсайдер
Механизм систематизации: как склад ума аутистов делает из них хороших изобретателей Механизм систематизации: как склад ума аутистов делает из них хороших изобретателей

Глава из книги «Искатели закономерностей» Саймона Барона-Коэна

Forbes
«Наша задача — создавать выгодные и простые сервисы для клиентов «Наша задача — создавать выгодные и простые сервисы для клиентов

Какие технологии нужны розничным клиентам?

Деньги
Открыть в приложении