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

Аммиак из пингвиньего гуано внес вклад в формирование облаков над Антарктидой Аммиак из пингвиньего гуано внес вклад в формирование облаков над Антарктидой

Из-за чего падает облачность в Антарктике?

N+1
Отпусти и забудь Отпусти и забудь

Как «сжигать мосты» и не жалеть об этом

Лиза
Астрономы отыскали удивительно развитую перемычку у спиральной галактики в ранней Вселенной Астрономы отыскали удивительно развитую перемычку у спиральной галактики в ранней Вселенной

Астрономы обнаружили у галактики J0107a необычно развитую центральную перемычку

N+1
Ученая бессмыслица Ученая бессмыслица

«Киприанов пир» как образец эрудитски-виртуозного абсурдизма

Weekend
Как начать переписку с девушкой, чтобы она точно ответила Как начать переписку с девушкой, чтобы она точно ответила

Лучшие заменители опостылевшего всем «Привет! Как дела?»

Maxim
Каким получился фильм Бена Аффлека Air — об истории легендарных кроссовок Nike Каким получился фильм Бена Аффлека Air — об истории легендарных кроссовок Nike

«Air: Большой прыжок» — драма о самой знаковой сделки в истории спортивной обуви

Правила жизни
Могут ли грибы-паразиты зомбировать людей — и когда начинать бояться Могут ли грибы-паразиты зомбировать людей — и когда начинать бояться

Как работает «зомбирование» грибами и от каких грибов ждать подвоха?

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
Эхо Большого взрыва Эхо Большого взрыва

Мы уже пережили бум метавселенных или все только начинается?

РБК
Исповедь тестя Исповедь тестя

Поучительная и вдохновляющая история одного мужчины

СНОБ
«Женщины с Венеры»: почему отличия в физиологии могут помочь в покорении Марса «Женщины с Венеры»: почему отличия в физиологии могут помочь в покорении Марса

Женщина — это «коварная соблазнительница на борту»

Forbes
«Че ты такой серьезный?»: как одевали разных Джокеров в кино «Че ты такой серьезный?»: как одевали разных Джокеров в кино

Вспоминаем воплощения Джокера на экране: как создавались его яркие костюмы

Правила жизни
Почему перед футбольным матчем вместе с футболистами на поле выходят дети? Почему перед футбольным матчем вместе с футболистами на поле выходят дети?

Как зародилась традиция выходить на футбольное поле вместе с детьми?

ТехИнсайдер
Натуральные обезболивающие: 10 продуктов, которые помогают справиться с любыми видами болей Натуральные обезболивающие: 10 продуктов, которые помогают справиться с любыми видами болей

Продукты, которые благодаря своим противовоспалительным облегчают боль

ТехИнсайдер
4 лайфхака, которые помогут выйти из френдзоны 4 лайфхака, которые помогут выйти из френдзоны

Как выйти из дружеского регистра?

Psychologies
«Я 12 дней летал так, как обычно летают во сне»: Клим Шипенко — о съемках фильма в космосе «Я 12 дней летал так, как обычно летают во сне»: Клим Шипенко — о съемках фильма в космосе

Режиссер Клим Шипенко — об особенностях жизни на космической станции

Psychologies
Что такое IQ тесты и насколько они достоверны Что такое IQ тесты и насколько они достоверны

Сегодня мы расскажем, что показывает IQ тест и как он работает

ТехИнсайдер
Секс втроем: как мужчины и женщины относятся к популярной фантазии — ответ психоаналитика Секс втроем: как мужчины и женщины относятся к популярной фантазии — ответ психоаналитика

Правда ли только мужчины мечтают попробовать удовлетворить сразу двух партнеров?

Psychologies
Кишечную микробиоту назвали фактором развития нервной анорексии Кишечную микробиоту назвали фактором развития нервной анорексии

От чего зависит развитие нервной анорексии у человека?

N+1
Четыре с половиной проблемы электромобилей: анализируем личный опыт в Норвегии Четыре с половиной проблемы электромобилей: анализируем личный опыт в Норвегии

С какими сложностями сталкиваются владельцы электромобилей?

CHIP
Личинки жуков поели динозавровых перьев 100 миллионов лет назад Личинки жуков поели динозавровых перьев 100 миллионов лет назад

В гнездах некоторых динозавров-теропод жили личинки жуков

N+1
Надувной квадрокоптер ударился о стену и отскочил Надувной квадрокоптер ударился о стену и отскочил

Надувная рама убережет дрон от разрушений при столкновениях

N+1
Андрей Мельниченко — Forbes: «Рост цен на удобрения с лихвой перекрыл потери объемов» Андрей Мельниченко — Forbes: «Рост цен на удобрения с лихвой перекрыл потери объемов»

Андрей Мельниченко рассказал о том, как создавал свою бизнес-империю

Forbes
Массовое вымирание 260 миллионов лет назад было не одним, а двумя событиями с интервалом 3 миллиона лет Массовое вымирание 260 миллионов лет назад было не одним, а двумя событиями с интервалом 3 миллиона лет

Как связаны выбросы углерода и массовые вымирания?

ТехИнсайдер
На восьми ветрах На восьми ветрах

Октоторп–Хаус — дом, похожий на хештег

SALON-Interior
Сохрани на память Сохрани на память

Что такое гиппокамп и как он работает?

Grazia
«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
Противораковая вакцина: когда она появится Противораковая вакцина: когда она появится

Свойства злокачественных новообразований можно использовать против них самих

Наука
Черви под анандамидом принюхались и захотели перекусить Черви под анандамидом принюхались и захотели перекусить

Механизм действий каннабиноидов оказался схож с человеческим

N+1
Новые Новые

Ученые выявили соединения, эффективные против устойчивым к антибиотикам бактерии

ТехИнсайдер
Открыть в приложении