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

Органический радикал нарушил правило Каши Органический радикал нарушил правило Каши

Анион-радикал замещенного арена может нарушать правило Каши

N+1
Мозг одиноких людей воспринимает мир иначе. А у вас так? Мозг одиноких людей воспринимает мир иначе. А у вас так?

Как связаны чувство одиночества и восприятие мира?

ТехИнсайдер
Найден способ омолодить стареющие клетки мозга Найден способ омолодить стареющие клетки мозга

Обратить старость вспять реально, причем на это понадобится всего один день

ТехИнсайдер
Как ускорить борьбу с табакокурением Как ускорить борьбу с табакокурением

Почему нужно различать потребление никотина и затяжку сигаретой

Наука
Леонардо да Винчи. Биография Леонардо да Винчи. Биография

Почему «Джоконда» – шедевр, на который хотят посмотреть вживую миллионы людей

kiozk originals
Что будет, если перестать чистить зубы Что будет, если перестать чистить зубы

Как часто и правильно нужно чистить зубы?

ТехИнсайдер
Кишечную микробиоту назвали фактором развития нервной анорексии Кишечную микробиоту назвали фактором развития нервной анорексии

От чего зависит развитие нервной анорексии у человека?

N+1
Цена монархии Цена монархии

Как дорого короли обходятся подданным

Деньги
Смотри и слушай. На что нужно обращать внимание при осмотре внедорожника с пробегом Смотри и слушай. На что нужно обращать внимание при осмотре внедорожника с пробегом

Универсальный набор рекомендаций, который поможет провести осмотр бэушки

4x4 Club
Неочевидные причины эмоционального выгорания, которым вы вряд ли придаете значение Неочевидные причины эмоционального выгорания, которым вы вряд ли придаете значение

Какие вопросы стоит себе задать, чтобы понять причину своего выгорания?

Psychologies
«Мне нравятся неискушенные дебютантки»: зачем мужчины обращаются к проституткам — история от первого лица «Мне нравятся неискушенные дебютантки»: зачем мужчины обращаются к проституткам — история от первого лица

Когда и почему мужчины прибегают к услугам секс-работниц?

Psychologies
Юлия Такшина: «С возрастом понимаешь — никакой катастрофы от того, что рядом с тобой нет надежного плеча, не произойдет» Юлия Такшина: «С возрастом понимаешь — никакой катастрофы от того, что рядом с тобой нет надежного плеча, не произойдет»

Юлии Такшиной удается быть востребованной актрисой и воспитывать двоих сыновей

Караван историй
Холод полезен для здорового старения: он запускает механизм очищения клеток Холод полезен для здорового старения: он запускает механизм очищения клеток

Как холод влияет на человеческий организм?

ТехИнсайдер
Топ маршрутов на майские Топ маршрутов на майские

Города в нескольких часах езды от Москвы

Лиза
Бывший токсин внутриклеточной бактерии защитил дрозофил от паразитоидов Бывший токсин внутриклеточной бактерии защитил дрозофил от паразитоидов

Как дрозофилы настроили врожденный иммунный ответ против паразитоидных насекомых

N+1
10 культовых спорткаров из 60-х, которые стыдно не знать в лицо 10 культовых спорткаров из 60-х, которые стыдно не знать в лицо

Шестидесятые годы XX века можно назвать золотой эпохой автомобилестроения

Maxim
Музыкальный инструмент из старых запчастей: как композиторы собирали релефон для оперы Музыкальный инструмент из старых запчастей: как композиторы собирали релефон для оперы

Релефон — необычный электромеханический инструмент, созданный для «Аскета»

ТехИнсайдер
Выдавливание и токсичность: как работодатели реагируют на «тихое увольнение» Выдавливание и токсичность: как работодатели реагируют на «тихое увольнение»

Работодатели отвечают на «тихое увольнение» «тихим выдавливанием»

Forbes
Здоровье дороже Здоровье дороже

В каком случае вам продадут страховку от критических заболеваний

Деньги
Как ускорить работу ноутбука: 6 полезных советов Как ускорить работу ноутбука: 6 полезных советов

Как ускорить ноутбук или повысить его производительность?

CHIP
10 способов пережить одиночество 10 способов пережить одиночество

Лайфхаки, которые помогут скрасить ваше одиночество

Psychologies
Капиталист в стране коммунистов. Каким получился «Тетрис» с Никитой Ефремовым? Капиталист в стране коммунистов. Каким получился «Тетрис» с Никитой Ефремовым?

«Тетрис»: учдачно ли сложился американский паззл в коммунистических декорациях

Правила жизни
Отдельные люди: продолжение истории побега Александра Отдельные люди: продолжение истории побега Александра

История женщины, от которой сбежал муж

СНОБ
Как продать квартиру в ипотеке. 4 способа не нарушить закон Как продать квартиру в ипотеке. 4 способа не нарушить закон

Ты можешь избавиться от долговых оков – продать квартиру, купленную в ипотеку

Лиза
Логинов Логинов

Самый востребованный и титулованный российский предметный дизайнер Дима Логинов

Собака.ru
Opel Frontera (1991-2004). Range Rover для среднего класса Opel Frontera (1991-2004). Range Rover для среднего класса

Этих ветеранов знают все, однако многим из них уже далеко за двадцать

4x4 Club
«Грызня»: блестящий сериал о ненависти, мести и поисках настоящей жизни «Грызня»: блестящий сериал о ненависти, мести и поисках настоящей жизни

«Грызня» — комедийная драма о незнакомцах, решивших отравить жизнь друг другу

Forbes
Посмотрите, как семейная пара трансформировала заброшенный дом в Японии! Посмотрите, как семейная пара трансформировала заброшенный дом в Японии!

Порой всеми забытые здания так и ждут своих спасителей, чтобы начать новую жизнь

ТехИнсайдер
Правила жизни Сергея Прокофьева Правила жизни Сергея Прокофьева

Правила жизни композитора, дирижёра и пианиста Сергея Прокофьева

Правила жизни
Морские слоны обошлись двумя часами сна в сутки Морские слоны обошлись двумя часами сна в сутки

Морские слоны жертвуют сном ради кормления и защиты от хищников

N+1
Открыть в приложении