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

В Португалии нашли выгравированные в эпоху верхнего палеолита фигуры животных В Португалии нашли выгравированные в эпоху верхнего палеолита фигуры животных

Археологи обнаружили в Португалии новые произведения палеолитического искусства

N+1
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
Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха

Палеонтологи реконструировали окраску шести маммалиаформов

N+1
Мексиканский ремень Мексиканский ремень

Фахитас – блюдо, в котором слились традиции Северной и Южной Америки

Вокруг света
Это не лень, а депрессия: 5 сигналов, что тебе нужна помощь Это не лень, а депрессия: 5 сигналов, что тебе нужна помощь

Как отличить депрессию от усталости или лени

VOICE
Можно ли похудеть от газировки: малоизвестные побочные эффекты воды с пузырьками Можно ли похудеть от газировки: малоизвестные побочные эффекты воды с пузырьками

Все знают, что сладкие газированные напитки — зло. Что насчет простой газировки?

VOICE
Кто написал «Роман с кокаином» Кто написал «Роман с кокаином»

Чем интересна повесть «Роман с кокаином» и кто на самом деле ее написал

СНОБ
Как автодилер из Чикаго стал миллиардером благодаря бумаге для самокруток Как автодилер из Чикаго стал миллиардером благодаря бумаге для самокруток

Как сын торговца подержанными автомобилями из Чикаго попал в клуб миллиардеров

Forbes
20 фактов о «Маленьком принце» 20 фактов о «Маленьком принце»

Краткая история самой переводимой повести в мире

Weekend
Какие мужчины не дарят подарки: 6 психотипов Какие мужчины не дарят подарки: 6 психотипов

То, как мужчина относится к деньгам и подаркам, зависит от его психотипа

Psychologies
Рестайлинг Jeep Wrangler. Чуть больше версий и возможностей Рестайлинг Jeep Wrangler. Чуть больше версий и возможностей

Что нового в рейстайлинге Jeep Wrangler

4x4 Club
«Во всем ищу позитивные стороны!» «Во всем ищу позитивные стороны!»

Владимир Жеребцов — о том, почему девушки охотно ведутся на всяких проходимцев

OK!
Группа итальянцев выкупила «призрачную» деревню и оставила ее разрушаться! Чтобы место не захватили застройщики Группа итальянцев выкупила «призрачную» деревню и оставила ее разрушаться! Чтобы место не захватили застройщики

В Италии осталось множество «деревень-призраков». Как вернуть в них былую жизнь?

ТехИнсайдер
Церебральная оксиметрия не снизила риск тяжелых поражений ЦНС у недоношенных детей Церебральная оксиметрия не снизила риск тяжелых поражений ЦНС у недоношенных детей

Мониторинг оксигенации головного мозга не снизил риск гибели мозга у детей

N+1
Горячие точки. Эти места считаются самыми жаркими в мире Горячие точки. Эти места считаются самыми жаркими в мире

Жарче, чем в этих пяти местах, не бывает нигде!

ТехИнсайдер
Если мыслить магически Если мыслить магически

Почему люди все чаще обращаются к иррациональным практикам?

Grazia
Правила сна Правила сна

Как избавиться от демона сонного паралича?

Grazia
1000 евро за царапину: как туристов обманывают с арендой машин за рубежом и почему клиент всегда неправ 1000 евро за царапину: как туристов обманывают с арендой машин за рубежом и почему клиент всегда неправ

Поговорили с экспертом о нечестных способах заработка в каршеринге

Вокруг света
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
Венгерское море: чем прославилось озеро Балатон Венгерское море: чем прославилось озеро Балатон

Озеро Балатон — живой свидетель многих событий национальной истории

Вокруг света
В Чатал-Хююке нашли фрагменты веревок и текстиля из волокон луба В Чатал-Хююке нашли фрагменты веревок и текстиля из волокон луба

Артефакты из Чатал-Хююка датируются VII тысячелетием до нашей эры

N+1
Как отправить большой файл: 6 способов Как отправить большой файл: 6 способов

Как отправить большой файл, не оплачивая подписки на облака и файлообменники

CHIP
Десятки миллиардов в биотех Десятки миллиардов в биотех

«Рустарк» масштабирует глубокую переработку кукурузы

Агроинвестор
Между утопией и антиутопией Между утопией и антиутопией

Что делает экранизации братьев Стругацких настолько актуальными

Weekend
Норвежский ключ к счастливой жизни: почему человеку важно соединяться с природой Норвежский ключ к счастливой жизни: почему человеку важно соединяться с природой

Отрывок из книги «Friluftsliv: Норвежский ключ к счастливой жизни»

Forbes
Правда ли, что для формирования привычки нужен 21 день? Вот что говорит современная наука Правда ли, что для формирования привычки нужен 21 день? Вот что говорит современная наука

Возможно ли за три недели приучить себя к полезному?

Вокруг света
Русский дом Русский дом

Основательница ludi_architects и владелец CUBE X познакомились на выставке

Собака.ru
Игорь Акинфеев: как преодолевать проблемы Игорь Акинфеев: как преодолевать проблемы

Игорь Акинфеев — один из главных игроков футбола России последних десятилетий

Maxim
Как собрать компьютер с прицелом на апгрейд: 5 полезных советов Как собрать компьютер с прицелом на апгрейд: 5 полезных советов

Как сделать процесс обновления компьютера более простым

CHIP
Как спастись от жары ночью, если дома нет кондиционера и вентилятора: лайфхаки, которые работают Как спастись от жары ночью, если дома нет кондиционера и вентилятора: лайфхаки, которые работают

Лайфхаки, которые помогут подготовиться к летнему сезону и жаре заранее

ТехИнсайдер
Открыть в приложении