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

Потепление обрекло гренландских китов на отравление водорослевыми токсинами Потепление обрекло гренландских китов на отравление водорослевыми токсинами

Во время аномального тепла динофлагелляты массово прорастают из цист китов

N+1
Витамин D: почему он так важен и как не пропустить его дефицит — советы нутрициолога Витамин D: почему он так важен и как не пропустить его дефицит — советы нутрициолога

Все, что вам необходимо знать о витамине D

Psychologies
Телескоп Chandra показал, что творится внутри звезды перед ее гибельным взрывом Телескоп Chandra показал, что творится внутри звезды перед ее гибельным взрывом

Драма за часы до взрыва звезды

ТехИнсайдер
История с литературой История с литературой

Легко быть творческим человеком, когда тебе не нужно заботиться о низменном

VOICE
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Генетики прочитали ДНК названного в честь гнома из «Хоббита» неандертальца Генетики прочитали ДНК названного в честь гнома из «Хоббита» неандертальца

Ученые исследовали крупнейшую с 1979 года находку неандертальских останков

N+1
Магия цифр: как скручивают пробег автомобиля и как узнать реальные цифры Магия цифр: как скручивают пробег автомобиля и как узнать реальные цифры

Как понять, что у подержанного автомобиля скорректированы показания одометра

CHIP
Скорость гулявших по вулканическому пеплу австралопитеков оценили примерно в 2,88 километра в час Скорость гулявших по вулканическому пеплу австралопитеков оценили примерно в 2,88 километра в час

Испанские ученые вновь изучили цепочки следов гоминин из местности Лаэтоли

N+1
Как развивать отношения, если вы привыкли жить в одиночестве: 5 советов холостякам Как развивать отношения, если вы привыкли жить в одиночестве: 5 советов холостякам

Как впустить в свою жизнь (и даже дом) партнера? Как договориться с собой?

Psychologies
Гормон победителей дофамин: почему мы от него зависим Гормон победителей дофамин: почему мы от него зависим

Как использовать дофамин себе во благо и не попасть в ловушку зависимости

Правила жизни
Любовная переписка втайне от партнера: 6 возможных причин Любовная переписка втайне от партнера: 6 возможных причин

Порой обмен сообщениями выходит за рамки дружеского и профессионального общения

Psychologies
Правила жизни Сергея Прокофьева Правила жизни Сергея Прокофьева

Правила жизни композитора, дирижёра и пианиста Сергея Прокофьева

Правила жизни
Восток-Запад: как относятся к женскому целомудрию в разных культурах Восток-Запад: как относятся к женскому целомудрию в разных культурах

Отрывок из книги «Брак по любви» Моники Али

Forbes
Наука о чужих. Жизнь и разум во вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во вселенной

Как ученые и писатели прошлых лет представляли себе обитателей Луны

Наука и жизнь
«Власть становится прочной, но хрупкой»: интервью социолога Дмитрия Рогозина «Власть становится прочной, но хрупкой»: интервью социолога Дмитрия Рогозина

Ограничение свободы слова и криминализация инакомыслия — это удар по власти

Forbes
И блондинкой была, и брюнеткой: как выглядели Русалочки во всех экранизациях сказки Андерсена И блондинкой была, и брюнеткой: как выглядели Русалочки во всех экранизациях сказки Андерсена

Мы решили вспомнить, как же выглядели Русалочки в разных экранизациях

VOICE
​«Да, плохо, но зато — стабильность»: стоит ли терпеть неврозы на нелюбимой работе и как понять, когда пора уходить ​«Да, плохо, но зато — стабильность»: стоит ли терпеть неврозы на нелюбимой работе и как понять, когда пора уходить

Почему увольнение из ненавистной компании не всегда становится облегчением

VC.RU
Стесняюсь спросить: от чего зависит запах пота и как его устранить Стесняюсь спросить: от чего зависит запах пота и как его устранить

Что влияет на запах пота, как его уменьшить и можно ли вообще перестать потеть?

Правила жизни
Инвентаризация красоты: что такое эстетический интеллект и зачем он нужен в бизнесе Инвентаризация красоты: что такое эстетический интеллект и зачем он нужен в бизнесе

Автор книги об эстетическом интеллекте — о том, как воспитать свой вкус

Forbes
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
Как Вологда стала центром производства дешевых вездеходов из бэушных деталей Как Вологда стала центром производства дешевых вездеходов из бэушных деталей

Откуда взялось вологодское машиностроительное чудо

Forbes
«Искусство этого века»: как Пегги Гуггенхайм придумала музей живых сущностей «Искусство этого века»: как Пегги Гуггенхайм придумала музей живых сущностей

Отрывок из книги «Музей вне себя. Путешествие из Лувра в Лас-Вегас»

Forbes
Большой вес при рождении повысил риск мерцательной аритмии во взрослом возрасте Большой вес при рождении повысил риск мерцательной аритмии во взрослом возрасте

Большой вес при рождении повысил риск мерцательной аритмии во взрослом возрасте

N+1
Как выбрать хороший кагор и почему его пьют на Пасху? Как выбрать хороший кагор и почему его пьют на Пасху?

Что такое кагор и почему его любит старшее поколение?

Maxim
Почему жертв кибермошенников не становится меньше Почему жертв кибермошенников не становится меньше

Каждый второй россиянин хоть раз становился жертвой кибермошенников. Почему?

Forbes
Зачем уголь Черной Бороде? Раскрыт секрет затонувшего корабля самого известного английского пирата Зачем уголь Черной Бороде? Раскрыт секрет затонувшего корабля самого известного английского пирата

На судне Эдварда Тича нашли уголь, хотя тогда его не использовали как топливо

Вокруг света
Рабочие способы, которые помогут быстро сбить температуру без лекарств Рабочие способы, которые помогут быстро сбить температуру без лекарств

Что делать, если терпеть температуру уже невмоготу, а лекарств под рукой нет?

ТехИнсайдер
Кокосовые крабы: невероятные силачи животного мира Кокосовые крабы: невероятные силачи животного мира

Кокосовые крабы могут раскалывать скорлупу кокосовых орехов

ТехИнсайдер
«Привет, Барби»: лучшие фильмы Марго Робби «Привет, Барби»: лучшие фильмы Марго Робби

Фильмы с Марго Робби — от криминальных комедий до драматический байопиков

Правила жизни
Дуракам счастье: история Тимоти Декстера — человека, разбогатевшего благодаря глупым поступкам. Или нет Дуракам счастье: история Тимоти Декстера — человека, разбогатевшего благодаря глупым поступкам. Или нет

Тимоти Декстер вошел в историю как глупый, но очень удачливый предприниматель

Maxim
Открыть в приложении