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

Узкий таз защитил от артрита колена и опущения органов Узкий таз защитил от артрита колена и опущения органов

Широкий таз облегчает деторождение, но добавляет других проблем со здоровьем

N+1
«Снегирь» Бориса Хлебникова — смелый, честный и грустный фильм о том, куда мы плывем «Снегирь» Бориса Хлебникова — смелый, честный и грустный фильм о том, куда мы плывем

«Снегирь» — тяжелый фильм о людях, оставленных один на один со стихией

Правила жизни
Культурный виноград появился на Сардинии больше трех тысяч лет назад Культурный виноград появился на Сардинии больше трех тысяч лет назад

Самый ранний культурный виноград выращивали на Сардинии

N+1
Зоя Богуславская: «Портреты эпохи: Андрей Вознесенский, Владимир Высоцкий, Юрий Любимов...» Зоя Богуславская: «Портреты эпохи: Андрей Вознесенский, Владимир Высоцкий, Юрий Любимов...»

Фрагмент главы из книги «Портреты эпохи» Зои Богуславской

СНОБ
Потрясно: что такое турбулентность и почему ее не надо бояться Потрясно: что такое турбулентность и почему ее не надо бояться

Рассказываем, что такое турбулентность и почему ее совершенно не стоит бояться

ТехИнсайдер
Правда ли, что астероид-убийца динозавров вызвал на Земле тысячелетнюю вулканическую зиму? Правда ли, что астероид-убийца динозавров вызвал на Земле тысячелетнюю вулканическую зиму?

Открытие, которое поднимает новые вопросы об астероиде-убийце динозавров

ТехИнсайдер
Почему мюзикл «Призрак оперы» закрыли на Бродвее после 35 лет проката Почему мюзикл «Призрак оперы» закрыли на Бродвее после 35 лет проката

Чем мюзикл «Призрак оперы» запомнился миру и почему прекратил свое существование

СНОБ
На все лапы мастер. Как устроено обучение собак-проводников На все лапы мастер. Как устроено обучение собак-проводников

Как происходит подготовка поводырей, которые помогают незрячим и слабовидящим

СНОБ
Ока, храмы и калачи: что делать в Муроме — гайд по городу Ока, храмы и калачи: что делать в Муроме — гайд по городу

Советуем присмотреться к менее известным точкам на карте, например, Мурому

Psychologies
Как очистить чайник от накипи: 5 способов и средств Как очистить чайник от накипи: 5 способов и средств

Как отмыть чайник от накипи с помощью средств, которые есть на каждой кухне

CHIP
Олимпийская спортсменка сменила коньки на эротические фото: кто такая Александра Янкулеску и что она делает на OnlyFans Олимпийская спортсменка сменила коньки на эротические фото: кто такая Александра Янкулеску и что она делает на OnlyFans

Канадская рекордсменка румынского происхождения продает свои обнаженные фото

Maxim
Черви под анандамидом принюхались и захотели перекусить Черви под анандамидом принюхались и захотели перекусить

Механизм действий каннабиноидов оказался схож с человеческим

N+1
5 романов молодых российских писателей, на которые стоит обратить внимание 5 романов молодых российских писателей, на которые стоит обратить внимание

О чем пишет современное поколение авторов

Maxim
Рыба гниет с головы: татарская притча о лжи и пороке Рыба гниет с головы: татарская притча о лжи и пороке

Одна из притч из книги Татьяны Муравьевой «Мифы Поволжья»

Psychologies
«Кто не сдал на подарки?»: почему нас так раздражают родительские чаты «Кто не сдал на подарки?»: почему нас так раздражают родительские чаты

Почему родительские чаты превратились в настоящую боль?

Psychologies
Цена удовольствия! Мужчина сломал пенис во время самой опасной позы в сексе Цена удовольствия! Мужчина сломал пенис во время самой опасной позы в сексе

Всегда полезно не только прочитать "Камасутру", но знать о своих возможностях

ТехИнсайдер
На Хонсю обнаружили древнейших в Японии кур На Хонсю обнаружили древнейших в Японии кур

Археологи обнаружили на доисторическом поселении останки древних птиц

N+1
«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
Почему маленькие собаки живут дольше крупных? Дело в скорости эволюции Почему маленькие собаки живут дольше крупных? Дело в скорости эволюции

Из-за чего большие собаки оказались более уязвимы, чем миниатюрные

Вокруг света
«Мужчины боятся сильных женщин»: 4 контраргумента — узнайте плюсы таких отношений «Мужчины боятся сильных женщин»: 4 контраргумента — узнайте плюсы таких отношений

Многие считают, что сильные женщины несчастны в личной жизни

Psychologies
Land Cruiser сдался первым. Первый тест-драйв Tank 500 Land Cruiser сдался первым. Первый тест-драйв Tank 500

Китайцы впервые сделали топовый премиальный рамный внедорожник

РБК
Генетически отредактированный рис вырос в имитаторе марсианского грунта Генетически отредактированный рис вырос в имитаторе марсианского грунта

Генетически отредактированный рис может выжить в марсианском грунте

N+1
Музыкальная пауза: история народного хита Музыкальная пауза: история народного хита

Вспоминаем историю главной песни Михаила Круга

Правила жизни
На пути к другим галактиками: восемь лучших фильмов про космос На пути к другим галактиками: восемь лучших фильмов про космос

Лучшие художественные фильмы про космос, межпланетные полеты и другие миры

Forbes
На эти машины жалуются чаще всего. Самые ненадежные седаны и универсалы На эти машины жалуются чаще всего. Самые ненадежные седаны и универсалы

Антирейтинг седанов и универсалов, с которыми точно будут проблемы

РБК
Каникулы в джунглях Каникулы в джунглях

О странствиях в тропических дебрях, начавшихся при необычных обстоятельствах

Вокруг света
На грани: как себя вести, если у близкого человека пограничное расстройство личности? На грани: как себя вести, если у близкого человека пограничное расстройство личности?

Что же делать, если у нашего родного ПРЛ, и как позаботиться о себе?

Psychologies
Эта фраза убивает в женщине красоту: о каких словах советует забыть Александр Васильев Эта фраза убивает в женщине красоту: о каких словах советует забыть Александр Васильев

К советам Александра Васильева прислушиваются миллионы женщин

VOICE
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
Что будет, если перестать чистить зубы Что будет, если перестать чистить зубы

Как часто и правильно нужно чистить зубы?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении