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

У позвоночных нашлось семь поводов поесть фекалий У позвоночных нашлось семь поводов поесть фекалий

Пищевую копрофагию у позвоночных животных можно разделить на семь категорий

N+1
Внеурочная история: как террор стал фактором российской политики Внеурочная история: как террор стал фактором российской политики

Почему российская история богата примерами политического террора

Forbes
Редкоземельные металлы: что такое, почему редкие и зачем нужны людям Редкоземельные металлы: что такое, почему редкие и зачем нужны людям

Какие металлы считаются редкоземельными и почему получили такое название

ТехИнсайдер
Доктор из США отдала свою почку женщине, которую она никогда не видела. Трогательная история Доктор из США отдала свою почку женщине, которую она никогда не видела. Трогательная история

История врача, которая решила спасти жизнь человека, рискнув своей жизнью

ТехИнсайдер
Ирландская загадочность, стиль и бездонные голубые глаза: 7 лучших фильмов с Киллианом Мерфи Ирландская загадочность, стиль и бездонные голубые глаза: 7 лучших фильмов с Киллианом Мерфи

Самые знаковые работы харизматичного актера Киллиана Мерфи

Psychologies
Универсальный бизнес-язык: зачем заниматься ESG в новых реалиях Универсальный бизнес-язык: зачем заниматься ESG в новых реалиях

Почему российский бизнес пересматривает свои позиции по ESG-повестке

Inc.
«Скандал показал истинную сущность моих соперников»: Влад Череватый о закулисье шоу «Экстрасенсы. Битва сильнейших» «Скандал показал истинную сущность моих соперников»: Влад Череватый о закулисье шоу «Экстрасенсы. Битва сильнейших»

Интервью с экстрасенсом Владом Череватым

VOICE
Быть или не быть, или о судьбе бумажных библиотек Быть или не быть, или о судьбе бумажных библиотек

Цифровизация не уменьшает, а только меняет ценность настоящих книг

Наука
Одна вокруг света: ночь на Краю Земли перед возвращением домой Одна вокруг света: ночь на Краю Земли перед возвращением домой

216-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Огненная земля

Forbes
Это простуда или аллергия? Как отличить симптомы двух заболеваний Это простуда или аллергия? Как отличить симптомы двух заболеваний

Главные отличия аллергической реакции организма от простудной

ТехИнсайдер
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
Адаптация к потеплению: что не так с современной климатической повесткой Адаптация к потеплению: что не так с современной климатической повесткой

Предотвращение глобального потепления: «сначала маску на себя, потом на ребенка»

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
Не маскирует возраст, но сохранила рыжую гриву: как изменилась обаятельная звезда Не маскирует возраст, но сохранила рыжую гриву: как изменилась обаятельная звезда

Австралийская актриса Миранда Отто стала звездой мирового масштаба в одночасье

VOICE
Из чего складывается конструктивизм Из чего складывается конструктивизм

Конструктивизм представил миру множество новаторских идей

Правила жизни
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
Пираты поневоле: чем опасны существа, которые дрейфуют по океану на кучах мусора? Пираты поневоле: чем опасны существа, которые дрейфуют по океану на кучах мусора?

Выброшенный людьми пластик становится новым домом для разных видов

Вокруг света
Восхождение дракона Восхождение дракона

Как Поднебесной удалось стать центром мирового автопрома?

Robb Report
Эхо Большого взрыва Эхо Большого взрыва

Мы уже пережили бум метавселенных или все только начинается?

РБК
Пустота, игры с огнем и дзюдо: каким был художник Ив Кляйн Пустота, игры с огнем и дзюдо: каким был художник Ив Кляйн

Вы могли не знать его имени, но вы видели этот цвет — гипнотизирующий синий

Правила жизни
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
Задача с тремя неизвестными: почему маленького мальчика зовут Дядя Федор, его сестру Вера Павловна, а папу — Дима? Задача с тремя неизвестными: почему маленького мальчика зовут Дядя Федор, его сестру Вера Павловна, а папу — Дима?

Эта история началась в пионерском лагере. Эдуард Успенский работал библиотекарем

ТехИнсайдер
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
Искусственный интеллект в горном деле: как дроны и роботы помогают нам искать полезные ископаемые Искусственный интеллект в горном деле: как дроны и роботы помогают нам искать полезные ископаемые

На наших глазах роботы кардинально меняют облик горнодобывающей индустрии.

ТехИнсайдер
Голливудская «Аллея славы» Forbes: самые богатые знаменитости в истории Голливудская «Аллея славы» Forbes: самые богатые знаменитости в истории

Собственная голливудская «Аллея славы» Forbes

Forbes
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
«Одни танцуют и веселятся, другие испытывают экзистенциальный кризис»: откровения вебкам-моделей комментирует психолог «Одни танцуют и веселятся, другие испытывают экзистенциальный кризис»: откровения вебкам-моделей комментирует психолог

Вебкам — с чем сталкиваются пользователи таких ресурсов с обоих сторон?

Psychologies
«Я хочу того, на что есть право у каждого человека»: каково это — быть аутистом «Я хочу того, на что есть право у каждого человека»: каково это — быть аутистом

Отрывок из книги «Искатели закономерностей» об аутизме

Psychologies
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
Как пережить укус кобры? Спойлер: высасывать яд не нужно! Как пережить укус кобры? Спойлер: высасывать яд не нужно!

Если все же вы случайно потревожили опасную кобру, вот что спасет вашу жизнь

ТехИнсайдер
Открыть в приложении