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

Прием гипотензивных препаратов вечером обеспечил лучший контроль давления Прием гипотензивных препаратов вечером обеспечил лучший контроль давления

Как контроль приема гипотензивных препаратов контролирует гипертензию

N+1
Нейроны гребневика ломают представления об эволюции нервной системы Нейроны гребневика ломают представления об эволюции нервной системы

Гребневик — первый многоклеточный организм. У него все не так, как у остальных

ТехИнсайдер
«Кто придумал землю? Путеводитель по геофилософии от Делёза и Деррида до Агамбена и Латура» «Кто придумал землю? Путеводитель по геофилософии от Делёза и Деррида до Агамбена и Латура»

Правильно ли противопоставлять природу и культуру

N+1
Отношения на расстоянии: почему мы в них оказываемся и можно ли сделать их счастливыми Отношения на расстоянии: почему мы в них оказываемся и можно ли сделать их счастливыми

Как справляться с отношениями на расстоянии?

Psychologies
Лайфхак, как быстро вернуть вещь, которую вы потеряли Лайфхак, как быстро вернуть вещь, которую вы потеряли

Чек-лист для быстрых и успешных поисков потерянной вещи

Maxim
5 книг об известных изобретателях 5 книг об известных изобретателях

Книги об изобретателях, которые изменили ход истерии

СНОБ
Эффект плато Эффект плато

6 причин, из-за которых вес стоит на месте, и как это исправить

Лиза
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
Электрические и магнитные свойства нейтрона измерили по отдельности Электрические и магнитные свойства нейтрона измерили по отдельности

Об измерении электрического и магнитного форм-факторов нейтрона по отдельности

N+1
Экспедиционный Volkswagen Amarok. В двух шагах от идеала Экспедиционный Volkswagen Amarok. В двух шагах от идеала

Volkswagen Amarok — идеальное средство для автономных путешествий

4x4 Club
«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
Как создать группу в Ватсапе: пошаговая инструкция Как создать группу в Ватсапе: пошаговая инструкция

Как сделать группу в Вацапе в мобильном приложении или через веб-версию

CHIP
«Дьявол не хочет, чтобы мы снимали»: как были прокляты создатели фильма «Омен» «Дьявол не хочет, чтобы мы снимали»: как были прокляты создатели фильма «Омен»

Все началось, когда менеджер по рекламе Боб Мангер обратился к продюсеру

VOICE
Большая уборка Большая уборка

Приводим квартиру в порядок после зимы

Лиза
Одна вокруг света: пустынная дорога к последнему морю Одна вокруг света: пустынная дорога к последнему морю

215-я серия о кругосветном путешествии Ирины Сидоренко: пингвины Патагонии

Forbes
«Где деньги, Лев?». Отрывок из книги о жизни дореволюционной России «Где деньги, Лев?». Отрывок из книги о жизни дореволюционной России

Почему Лев Толстой хотел лишить детей прав на свои книги

СНОБ
От земляного вала до кирпича. Как строительство кремлей помогло оформиться государственности на Руси От земляного вала до кирпича. Как строительство кремлей помогло оформиться государственности на Руси

О том, как на Руси появились первые крепости и стали возникать города

СНОБ
Комплекс матери Терезы: проверь, не слишком ли ты добрая (это мешает жить!) Комплекс матери Терезы: проверь, не слишком ли ты добрая (это мешает жить!)

Приходится ли тебе время от времени слышать «Ну ты прямо мать Тереза!»?

VOICE
Сезон шашлыков Сезон шашлыков

Какое мясо выбрать для мангала и как его замариновать?

Лиза
Ретроградный Меркурий: что это значит — 4 главных вопроса психологам Ретроградный Меркурий: что это значит — 4 главных вопроса психологам

О том, почему феномен ретроградного Меркурия стал таким популярным

Psychologies
Кто такие инфоцыгане и за что задержали Елену Блиновскую? Кто такие инфоцыгане и за что задержали Елену Блиновскую?

Кто такие инфоцыгане и почему вдруг к ним постучался следственный коммитет

Правила жизни
Русский дом Русский дом

Основательница ludi_architects и владелец CUBE X познакомились на выставке

Собака.ru
«Акула» против «плюшевого мишки»: как ссорятся разные типы людей — проверьте свою пару «Акула» против «плюшевого мишки»: как ссорятся разные типы людей — проверьте свою пару

Психологи разделили спорщиков на пять групп. Какая из них вы?

Psychologies
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
Границы конфиденциальности: что и кому может рассказать о вас психолог? Границы конфиденциальности: что и кому может рассказать о вас психолог?

Не нарушают ли рассказы о случаях из психотерапии границы конфиденциальности?

Psychologies
Насколько вы созависимый? Чек-лист от нейропсихолога Насколько вы созависимый? Чек-лист от нейропсихолога

Почему отношения становятся созависимыми?

Psychologies
«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
Родители думали, что 14-летняя Наташа стала жертвой киллера. Но она скрывалась у своего парня Родители думали, что 14-летняя Наташа стала жертвой киллера. Но она скрывалась у своего парня

Все считали, что девочка пострадала от рук киллера, но на суде открылась правда

ТехИнсайдер
«Арменкино» представляет: как работали и что снимали национальные киностудии в СССР «Арменкино» представляет: как работали и что снимали национальные киностудии в СССР

Как возникли киностудии СССР, как менялись и что с ними случилось в итоге

Forbes
Деревья помнят: как историки засекли викингов в Америке и поможет ли это добраться до фараонов? Деревья помнят: как историки засекли викингов в Америке и поможет ли это добраться до фараонов?

Устанавливать даты можно не только по письменным источникам

Вокруг света
Открыть в приложении