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

Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга

Намеренная дефазировка увеличила КПД квантового двигателя на два процента

N+1
BIM-моделирование: как оцифровать мысли инженера BIM-моделирование: как оцифровать мысли инженера

BIM-моделирование: как создают цифровые модели производств и безлюдных рудников

ТехИнсайдер
Генетики прочитали ДНК последних охотников-собирателей Гималаев Генетики прочитали ДНК последних охотников-собирателей Гималаев

Генетики проанализировали ДНК больше ста представителей группы рауте

N+1
«Дело не в тебе, дело в инфляции»: как финансовый кризис изменил экономику свиданий «Дело не в тебе, дело в инфляции»: как финансовый кризис изменил экономику свиданий

Люди стали тратить вдвое больше на свидания

VC.RU
Думай медленно… решай быстро Думай медленно… решай быстро

Как устроено человеческое мышление

kiozk originals
17 cамых смешных комедийных сериалов 2010–2023 годов 17 cамых смешных комедийных сериалов 2010–2023 годов

Если какая-то из данных комедий не рассмешит, это не повод впадать в отчаяние

Maxim
Интервью с кинорежиссером Иваном И. Твердовским о Замятине и фильме «Наводнение» Интервью с кинорежиссером Иваном И. Твердовским о Замятине и фильме «Наводнение»

Режиссер Иван И. Твердовский — о поисках героя и экранизации Замятина

СНОБ
«Болевые точки»: как они влияют на нас и наши отношения «Болевые точки»: как они влияют на нас и наши отношения

Откуда берутся «болевые точки»?

Psychologies
Мое личное тело Мое личное тело

Самые актуальные методы, чтобы привести тело в тонус

Лиза
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
Легендарная пара: как компания Nike и Майкл Джордан подсадили весь мир на кроссовки Легендарная пара: как компания Nike и Майкл Джордан подсадили весь мир на кроссовки

«Air: большой прыжок» — о том, как Air Jordan изменили отношение к кроссовкам

Forbes
«Одиночка»: роман о матери, у которой родился ребенок с особенностями развития «Одиночка»: роман о матери, у которой родился ребенок с особенностями развития

Отрывок из книги «Одиночка» — о том, как героиня пытается принять одиночество

Forbes
Эти Эти

Самые вредные для кишечника перекусы - избегай их, чтобы помочь своему телу

VOICE
Солнце в банке Солнце в банке

Как выбрать ту, которую по праву можно назвать «царицей полей»?

Лиза
Ито Огава, «Канцтовары Цубаки» — отрывок из романа в переводе Дмитрия Коваленина Ито Огава, «Канцтовары Цубаки» — отрывок из романа в переводе Дмитрия Коваленина

Отрывок из книги, «Канцтовары Цубаки» в переводе Дмитрия Коваленина

СНОБ
Шанхай-Сити: чем ситуация на рынке офисов напоминает 90-е Шанхай-Сити: чем ситуация на рынке офисов напоминает 90-е

Почему эксперты считают, что рынок офисной недвижимости деградирует?

Forbes
«Больше» всегда «лучше»: это предубеждение встроено прямо в язык «Больше» всегда «лучше»: это предубеждение встроено прямо в язык

Наш язык плотно связывает "увеличение" с "улучшением"

ТехИнсайдер
Здоровье дороже Здоровье дороже

В каком случае вам продадут страховку от критических заболеваний

Деньги
Спальня с видом Спальня с видом

Стоит ли всеми силами стремиться к красивой картинке?

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
Как младенцы учат язык взрослых? Поразительное объяснение ученых! Как младенцы учат язык взрослых? Поразительное объяснение ученых!

Маленькие дети учат язык своих родителей, основываясь на просодии

ТехИнсайдер
Топ самых необычных российских вин Топ самых необычных российских вин

И в России есть вина, способные удивлять. В том числе и в хорошем смысле

Maxim
7 способов избежать рака яичников 7 способов избежать рака яичников

Рак яичников — это серьезная болезнь. Как ее предупредить?

Psychologies
Наташа Королева: «Как только мне не хватает знаний, я иду учиться» Наташа Королева: «Как только мне не хватает знаний, я иду учиться»

Наташа Королева рассказала о своих любимых хитах, кулинарии и отношениях с мужем

Лиза
Максим Траньков. Служебный роман Максим Траньков. Служебный роман

История-предупреждение от олимпийского чемпиона Сочи-2014

Maxim
Как понять, что вашему организму не хватает магния: 6 тревожных симптомов Как понять, что вашему организму не хватает магния: 6 тревожных симптомов

Давайте проверим, хватает ли магния вашему организму?

ТехИнсайдер
Евгений Плющенко: чемпионство с винтами в спине Евгений Плющенко: чемпионство с винтами в спине

История о риске всем ради спортивного успеха

Maxim
«Не скользнуть в бездну» «Не скользнуть в бездну»

Судьба атамана Бориса Анненкова как зеркало Гражданской войны

Дилетант
Цена монархии Цена монархии

Как дорого короли обходятся подданным

Деньги
Что такое аутизм: объяснение эксперта. Вы поменяете свое мнение! Что такое аутизм: объяснение эксперта. Вы поменяете свое мнение!

Аутизм — расстройство, которое может проявляться совершенно по-разному

ТехИнсайдер
Открыть в приложении