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
Минус 3 часа сна — это как 100 грамм водки: невыспавшийся водитель так же опасен, как пьяный Минус 3 часа сна — это как 100 грамм водки: невыспавшийся водитель так же опасен, как пьяный

Ученые показали, какие риски возникают при вождении после короткого сна

Вокруг света
Летают ли авиалайнеры над Северным полюсом: да, и это стоит сделать хотя бы раз в жизни Летают ли авиалайнеры над Северным полюсом: да, и это стоит сделать хотя бы раз в жизни

Почему летать через Северный полюс до сих пор рискованно

ТехИнсайдер
15 лучших сериалов с черным юмором 15 лучших сериалов с черным юмором

В этих сериалах есть все, что мы любим: циничные шутки и кощунственные сюжеты

Maxim
Американец начал употреблять бром по совету ChatGPT и заработал психоз Американец начал употреблять бром по совету ChatGPT и заработал психоз

Мужчина заработал психоз после совета ChatGPT

N+1
Физики создали в лаборатории черную дыру, которая немедленно начала расти Физики создали в лаборатории черную дыру, которая немедленно начала расти

Синтетический аналог черной дыры может рассказать нам кое-что

ТехИнсайдер
Милая история! Орел напрасно высиживал камень, поэтому люди втайне подкинули ему птенца-сироту Милая история! Орел напрасно высиживал камень, поэтому люди втайне подкинули ему птенца-сироту

Даже в природе есть примеры того, что семья не всегда подразумевает кровные узы

ТехИнсайдер
5 типов токсичных родителей: как исправить отношения — психологический разбор 5 типов токсичных родителей: как исправить отношения — психологический разбор

Пять типов токсичных матерей и отцов и способы пересмотреть отношения с ними

Psychologies
Разъяренные и опасные: как отомстить бывшему Разъяренные и опасные: как отомстить бывшему

После того, как вам изменили возникает понятное, хотя и неназываемое желание...

VOICE
Заживает втрое быстрее: найден способ ускорить лечение ран с помощью электричества Заживает втрое быстрее: найден способ ускорить лечение ран с помощью электричества

В перспективе такой способ лечения ран может спасти тысячи жизней

Вокруг света
Голландия или Нидерланды: как правильно Голландия или Нидерланды: как правильно

В чем разница между Нидерландами и Голландией?

ТехИнсайдер
«Мясной» рынок: за что критикуют конкурсы красоты и почему их все равно проводят «Мясной» рынок: за что критикуют конкурсы красоты и почему их все равно проводят

Почему смотры женских тел до сих пор проводят по всему миру?

Forbes
Внеурочная история: как террор стал фактором российской политики Внеурочная история: как террор стал фактором российской политики

Почему российская история богата примерами политического террора

Forbes
Что такое «страна третьего мира» и почему этот термин не относится к уровню богатства и развития страны Что такое «страна третьего мира» и почему этот термин не относится к уровню богатства и развития страны

Как существуют «страны третьего мира» и в чем их уникальность?

ТехИнсайдер
«Планка» не поможет: 7 бесполезных упражнений для восстановления после родов «Планка» не поможет: 7 бесполезных упражнений для восстановления после родов

Рассказываем, на что не стоит делать ставку новоиспеченной маме

VOICE
Как основавший гиганта доставки Lalamove бывший игрок в покер стал миллиардером Как основавший гиганта доставки Lalamove бывший игрок в покер стал миллиардером

Как Чоу Шин Юк создал гигантскую логистическую компанию Lalamove

Forbes
Какое минимальное количество органов необходимо человеческому организму, чтобы жить? Какое минимальное количество органов необходимо человеческому организму, чтобы жить?

Без аппендикса можно жить, но есть другие органы, без которых можно обойтись

ТехИнсайдер
Гибридный двигатель высшей школы Гибридный двигатель высшей школы

Традиционному университету придется усиленно заниматься онлайн-образованием

Наука
Не для красоты: почему раньше мужчины носили пышные парики Не для красоты: почему раньше мужчины носили пышные парики

Целый век аллонжи были в моде, но надевали их далеко не для сокрытия лысины...

ТехИнсайдер
Светить всегда? Светить везде? Светить всегда? Светить везде?

Как выбрать подсветку для рассады?

Наука и жизнь
Эффект наращивания: 5 домашних способов отрастить длинные и крепкие ногти Эффект наращивания: 5 домашних способов отрастить длинные и крепкие ногти

Простые рецепты целебных масок для фантастического роста ногтей

VOICE
Двойной агент Двойной агент

Комбинированные оральные контрацептивы имеют массу неочевидных преимуществ

Grazia
На австралийский берег выбрался голубой дракон — кто он? На австралийский берег выбрался голубой дракон — кто он?

Голубой дракон — необычное существо, живущее в океане

ТехИнсайдер
Было время! Лучшие российские фильмы, которые помогут вспомнить нулевые Было время! Лучшие российские фильмы, которые помогут вспомнить нулевые

Фильмы российских режиссеров, талантливо воссоздающие атмосферу нулевых

VOICE
Netflix врал: правдивая история «Афериста из Тиндера» Netflix врал: правдивая история «Афериста из Тиндера»

Какой на самом деле была история афериста Саймона Леваева?

ТехИнсайдер
От крепкой платонической до мнимого безразличия: что не так с мужской дружбой От крепкой платонической до мнимого безразличия: что не так с мужской дружбой

У мужчин за последние 100 лет у снизилось количество дружеских отношений

Psychologies
Идеальное фото на паспорт — это реально: рабочие советы, как хорошо выглядеть на фото в документах Идеальное фото на паспорт — это реально: рабочие советы, как хорошо выглядеть на фото в документах

Фото на документы и красивый кадр — совместимы ли эти две вещи?

ТехИнсайдер
«Будь здоров!»: 16 элементов психического и эмоционального здоровья — чек-лист психоаналитика «Будь здоров!»: 16 элементов психического и эмоционального здоровья — чек-лист психоаналитика

Из чего складывается психическое здоровье?

Psychologies
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
Низкий уровень белка теплового шока защитил медведей от тромбоза во время спячки Низкий уровень белка теплового шока защитил медведей от тромбоза во время спячки

Что спасает медведей в спячке от тромбоза?

N+1
Открыть в приложении