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

«Наука о чужих. Как ученые объясняют возможность жизни на других планетах» «Наука о чужих. Как ученые объясняют возможность жизни на других планетах»

Как инопланетян начали искать с помощью радиотелескопов

N+1
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
Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете Сразу две частные компании стартовали к Луне на одной ракете

Две частные фирмы запустили аппараты на Луну в ракете SpaceX Falcon 9

ТехИнсайдер
Поездки за пустотой Поездки за пустотой

Как Андрей Монастырский перевел в акции поэзию абсурда

Weekend
«Мне ни на что не хватает!»: 4 типа отношения к деньгам «Мне ни на что не хватает!»: 4 типа отношения к деньгам

Как нормализовать свое отношение к деньгам?

Psychologies
«Все мы уникальны и важны»: как осознать безусловную ценность — мнение психолога «Все мы уникальны и важны»: как осознать безусловную ценность — мнение психолога

Почему мы сомневаемся в собственной ценности и что с этим делать

Psychologies
5 причин посмотреть «Воспоминания об убийстве» — культовый южнокорейский триллер о серийном убийце из Хвасона 5 причин посмотреть «Воспоминания об убийстве» — культовый южнокорейский триллер о серийном убийце из Хвасона

Почему «Воспоминания об убийстве» нельзя пропустить

Правила жизни
Неотразимые и жалкие: немного о сортах бабников Неотразимые и жалкие: немного о сортах бабников

Эти мужчины вызывают безудержный восторг или отвращение

VOICE
Циркадные ритмы – как самому настроить свои «биологические часы»? Циркадные ритмы – как самому настроить свои «биологические часы»?

Что же представляют собой биоритмы и как человек может нормализовать свой сон

ТехИнсайдер
7 потрясающих новых сериалов, о которых мало кто знает 7 потрясающих новых сериалов, о которых мало кто знает

Сериалы, которые не уступят в увлекательности «Мандалорцу» и «Одним из нас»

Maxim
Ревность: полезна или вредна для отношений — разбор с психологами Ревность: полезна или вредна для отношений — разбор с психологами

Представляем исследование этой страсти, которую так часто презирают

Psychologies
Что будет, если посмотреть очень страшное кино с Хоакином Фениксом «Все страхи Бо». Рецензия MAXIM Что будет, если посмотреть очень страшное кино с Хоакином Фениксом «Все страхи Бо». Рецензия MAXIM

Фильм, над которым зритель сломает себе голову. В прямом и переносном смысле

Maxim
Мадам дирижер: как Фредерика Петридес помогала женщинам добиваться успеха в музыке Мадам дирижер: как Фредерика Петридес помогала женщинам добиваться успеха в музыке

Одной из тех, кто боролся с предрассудками, была дирижер Фредерика Петридес

Forbes
Сергей Соловьев. О дружбе с Абдуловым, Янковским, Тихоновым и Михалковым Сергей Соловьев. О дружбе с Абдуловым, Янковским, Тихоновым и Михалковым

Как я вообще сумел пробиться в режиссеры?

Коллекция. Караван историй
Искусственный интеллект отвечает на вопросы Искусственный интеллект отвечает на вопросы

Как сверхпопулярный бот ChatGPT может изменить работу высшей школы

Наука
10 по-настоящему страшных ужастиков без скримеров (ну почти) 10 по-настоящему страшных ужастиков без скримеров (ну почти)

Эти хорроры пугают своей атмосферой, историей и персонажами

Maxim
10 фильмов о сектах 10 фильмов о сектах

Как и почему создавались фильмы о сектах

Weekend
«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
«Узнаю характер по костям»: чем привлекательна профессия антрополога и как ее получить «Узнаю характер по костям»: чем привлекательна профессия антрополога и как ее получить

Антропологи отличаются добротой и любовью к людям в целом и по частям

Вокруг света
Нас не проведешь Нас не проведешь

Как без медицинского образования оценить рекомендации врача?

Лиза
Гиены ужились в одной норе с дикобразами и бородавочниками Гиены ужились в одной норе с дикобразами и бородавочниками

Пятнистые гиены, дикобразы и бородавочники могут ужиться в одной норе

N+1
Новая Карди Би: как российская исполнительница стала звездой турецкого рэпа и героиней Forbes Новая Карди Би: как российская исполнительница стала звездой турецкого рэпа и героиней Forbes

Ася Ализаде — историй звезды турецкого рэпа

VOICE
Как модники полюбили «некрасивые» беговые кроссовки — и на какие бренды обратить внимание Как модники полюбили «некрасивые» беговые кроссовки — и на какие бренды обратить внимание

Как утилитарные спортивные модели стали актуальными не только на беговом треке?

Правила жизни
Наши бабушки и дедушки – новые иконы стиля: это официальный мировой тренд Наши бабушки и дедушки – новые иконы стиля: это официальный мировой тренд

Новый мегатренд, которому теперь следуют селебрити

VOICE
BIM-моделирование: как оцифровать мысли инженера BIM-моделирование: как оцифровать мысли инженера

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

ТехИнсайдер
Я — Сноб: ресторатор Дмитрий Левицкий Я — Сноб: ресторатор Дмитрий Левицкий

Ресторатор Дмитрий Левицкий рассказал о блюде, без которого он не может жить

СНОБ
Машины, которых нам не хватает Машины, которых нам не хватает

Российские автомобили стали главными на отечественном рынке

Деньги
Во сколько обходится замена аккумуляторной батареи электромобиля Во сколько обходится замена аккумуляторной батареи электромобиля

Замена батареи – крайне редкая, но довольно дорогая процедура

4x4 Club
Как болезнь Пика уничтожает личность: подлинная история Как болезнь Пика уничтожает личность: подлинная история

Отрывок из книги «В молекуле от безумия»

Psychologies
Потерянная энергия: почему мы теряем силы и что поможет их восстановить Потерянная энергия: почему мы теряем силы и что поможет их восстановить

Ты замечала, как днем становится все труднее сосредоточиться?

VOICE
Открыть в приложении