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

Физики объяснили радиальные полосы вокруг посадочных модулей на Луне Физики объяснили радиальные полосы вокруг посадочных модулей на Луне

Почему узоры от спускаемых На Луну космических аппаратов практически идентичны?

N+1
Кризисный лидер: почему бизнес привлекает «темную триаду» Кризисный лидер: почему бизнес привлекает «темную триаду»

Почему именно нарциссы и макиавеллисты встречаются на лидерских позициях?

Forbes
Царь ненастоящий! Царь ненастоящий!

Почему ученые отвергли гипотезу об идентификации останков Филиппа II

N+1
Гравитационное линзирование указало на волновую природу темной материи Гравитационное линзирование указало на волновую природу темной материи

Согласно новому исследованию, темная материя состоит из сверхлегких аксионов

N+1
Эта привычка может повысить риск развития деменции на 43% Эта привычка может повысить риск развития деменции на 43%

Употребление большого количества сахара может повысить риск развития деменции

ТехИнсайдер
Утопия восьмибитного глобализма Утопия восьмибитного глобализма

«Тетрис» и виртуальная реальность СССР

Weekend
Посмотрите на интересные решения, чтобы освежить старый дом Посмотрите на интересные решения, чтобы освежить старый дом

Как максимально эффективно использовать каждый сантиметр пространства

ТехИнсайдер
Кофе с лимоном помогает худеть? Объяснение эксперта Кофе с лимоном помогает худеть? Объяснение эксперта

Необычный способ избавления от лишнего веса

ТехИнсайдер
Критика, неуверенность и недоверие: 7 знаков, что отношения повернули не туда, — проверьте себя Критика, неуверенность и недоверие: 7 знаков, что отношения повернули не туда, — проверьте себя

Как распознать знаки, указывающие на то, что ваша дорога вместе не будет ровной?

Psychologies
Это не хлам: 10 советских вещей, которые не стоит выбрасывать Это не хлам: 10 советских вещей, которые не стоит выбрасывать

Эти 10 вещей из прошлого точно следует оставить — они ещё пригодятся вам!

ТехИнсайдер
Держаться корней Держаться корней

Людей восхищают деревья-долгожители, растущие на Земле сотни и тысячи лет

Вокруг света
Самые сексуальные женщины: 4 главных качества — мнение мужчин Самые сексуальные женщины: 4 главных качества — мнение мужчин

Что делает девушку сексуальной в глазах мужчин?

Psychologies
Концерт состоится: 11 фильмов о музыкантах Концерт состоится: 11 фильмов о музыкантах

Шпаргалка с фильмами о музыкантах: современных и классических

Правила жизни
Томат, авокадо и гранат: 13 антивозрастных продуктов — включите в рацион Томат, авокадо и гранат: 13 антивозрастных продуктов — включите в рацион

Хотите, чтобы никто не догадался, сколько вам лет, без пластической операции?

Psychologies
Как обустроить квартиру с помощью российских производителей Как обустроить квартиру с помощью российских производителей

Локальные товары, которые отвечают современным мебельным тенденциям

СНОБ
Охота за политическими Охота за политическими

Все общества, которые создавались в Николаевскую эпоху, касались политики

Дилетант
Каникулы в джунглях Каникулы в джунглях

О странствиях в тропических дебрях, начавшихся при необычных обстоятельствах

Вокруг света
Сергей Лазарев: «Надо любить себя больше» Сергей Лазарев: «Надо любить себя больше»

Сергей Лазарев – о недостатках, неудачах, демонах, и о том, чем заедает стресс

VOICE
Секс без любви: может ли страсть превратиться в глубокое чувство Секс без любви: может ли страсть превратиться в глубокое чувство

Если двоих связывает лишь секс, всегда ли их отношения им и ограничиваются?

Psychologies
Что такое скин-сайклинг: все о методе, который обещает преобразить кожу за 4 дня Что такое скин-сайклинг: все о методе, который обещает преобразить кожу за 4 дня

Что цикличный уход за кожей завоевывает все больше поклонников

Правила жизни
22-летний актер Колуччи умер после 12 операций, сделанных ради сходства с Чимином из BTS 22-летний актер Колуччи умер после 12 операций, сделанных ради сходства с Чимином из BTS

Сэйнт Вон Колуччи хотел быть похожим на своего кумира и умер, пытаясь

VOICE
«Хорошие, мимо!»: почему женщины любят «плохишей» «Хорошие, мимо!»: почему женщины любят «плохишей»

Почему многие женщины отвергают замечательных партнеров?

Psychologies
Озабоченные жуки и сбежавшая грудь: 10 комедийных шоу, которые были созданы женщинами Озабоченные жуки и сбежавшая грудь: 10 комедийных шоу, которые были созданы женщинами

Комедийные сериалы, созданные женщинами и поднимающие серьезные вопросы

Forbes
Пиявки семидесятой широты Пиявки семидесятой широты

Что заставляет арктических червей темнеть

Наука
Цветок-канделябр Цветок-канделябр

Удивительные растения из семейства Кутровые

Наука и жизнь
Что будет за отказ от медосвидетельствования. Объяснение юристов Что будет за отказ от медосвидетельствования. Объяснение юристов

От требования сотрудника ГИБДД отказаться не получится

РБК
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
Их невозможно убить! 5 человек, которым удалось пережить смертную казнь Их невозможно убить! 5 человек, которым удалось пережить смертную казнь

Казалось бы, приговор к смертной казни — это всё, неминуемый конец жизни

ТехИнсайдер
ГАЗ на плаву: как работает нижегородский автозавод Олега Дерипаски ГАЗ на плаву: как работает нижегородский автозавод Олега Дерипаски

Как сейчас работает автозавод Олега Дерипаски

Forbes
«Во всем ищу позитивные стороны!» «Во всем ищу позитивные стороны!»

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

OK!
Открыть в приложении