Кохлеарные импланты дарят звук, но результаты могут быть разными

26.01.2023
#Реабилитация
Ученые изучают ряд потенциальных способов повышения эффективности кохлеарных имплантов.

Кохлеарные импланты являются одними из самых успешных нейронных протезов на рынке. Эти искусственные уши позволили почти 1 миллиону людей во всем мире с тяжелой или глубокой потерей слуха либо восстановить доступ к окружающим звукам, либо впервые ощутить слух.

Однако эффективность кохлеарных имплантов сильно различается у разных пользователей из-за целого ряда факторов, таких как продолжительность потери слуха и возраст при имплантации. Дети, которым имплантируют импланты в более раннем возрасте, могут приобрести слуховые навыки, аналогичные их сверстникам с естественным слухом.

Понимание механики этой технологии и ее ограничений может помочь привести к потенциальным новым разработкам и улучшениям в будущем.

Как работает кохлеарный имплант?

При полностью функциональном слухе звуковые волны попадают в слуховой проход и преобразуются в нервные импульсы, проходя через похожие на волоски сенсорные клетки в улитке, или внутреннем ухе.
Затем эти нервные сигналы проходят через слуховой нерв за улиткой в центральные слуховые области мозга, что приводит к восприятию звука.

Люди с тяжелой или глубокой потерей слуха часто имеют поврежденные или отсутствующие сенсорные клетки и не способны преобразовывать звуковые волны в электрические сигналы. Кохлеарные имплантаты обходят эти волоскоподобные клетки, непосредственно стимулируя слуховой нерв электрическими импульсами.



Скриншот 24.01.23_15.17.33.jpg
Схема анатомии слуха. Звук проходит через слуховой проход и преобразуется волосковыми клетками в улитке в электрические сигналы, которые поступают в мозг.

 Кохлеарные импланты состоят из внешней части, обернутой за ухом, и внутренней части, имплантированной под кожу.

Внешний блок, который включает в себя микрофон, сигнальный процессор и передатчик, улавливает и обрабатывает звуковые волны из окружающей среды. Он разделяет звуки на разные частотные диапазоны, которые похожи на разные каналы в радио, причем каждый диапазон представляет определенный диапазон частот в общем спектре звука. Он также извлекает информацию об амплитуде или громкости из каждого частотного диапазона.

Затем он передает эту информацию на приемник во внутреннем блоке, имплантированном в улитку. Электроды внутреннего блока напрямую стимулируют слуховой нерв электрическими импульсами на основе информации об амплитуде. Электроды в основании улитки передают электрические сигналы, содержащие высокочастотную слуховую информацию, в то время как электроды в верхней части передают электрические сигналы, содержащие низкочастотную информацию, в мозг, имитируя частотный анализ в полностью функционирующем ухе.

Где кохлеарные импланты терпят неудачу

В то время как люди с кохлеарными имплантами способны распознавать звуки и воспринимать речь в тихой обстановке достаточно хорошо, они часто испытывают большие трудности с пониманием речи в шумной обстановке, наслаждением музыкой и локализацией звуков, то есть с определением направления, откуда исходит звук.

Кохлеарные импланты принципиально ограничены их плохой способностью определять разницу между звуковыми частотами и передавать быстрые изменения амплитуды звука с течением времени.

Например, современные системы кохлеарных имплантов используют только 12-22 электрода для стимуляции сохранившихся слуховых нервных волокон, в то время как естественный слух имеет 30 000 слуховых нервных волокон для кодирования подробной информации о входящих звуках. Кроме того, стимуляция электродом внутри улитки возбуждает большую группу волокон слухового нерва без особой точности.

Эти факторы приводят к плохому разрешению частоты. Представьте это как рисование толстой кистью, которая может показать только общую форму без мелких деталей или только размытые детали.
Восприятие слуха при использовании кохлеарных имплантов отличается от естественного слуха.

 Почему кохлеарные импланты работают лучше для некоторых

По-прежнему сложно точно предсказать эффективность кохлеарных имплантов для каждого пользователя.

Существует множество факторов, которые могут повлиять на количество здоровых слуховых нервных волокон, доступных для передачи акустической информации в мозг. Пользователи кохлеарных имплантов с лучшей выживаемостью волокон слухового нерва могут иметь улучшенные частотные и временные представления звуков, представленных электрической стимуляцией, что может привести к лучшему восприятию речи и высоты тона.

Здоровье нервной системы - не единственный фактор, влияющий на вариабельность эффективности кохлеарных имплантов. Одно из исследований 2012 года, в котором приняли участие 2251 пользователь кохлеарных имплантов, показало, что распознавание речи сильно различается, и только 22% различий можно объяснить клиническими факторами, такими как длительный опыт работы с имплантом и причина потери слуха.

Кроме того, сложно напрямую оценить влияние выживаемости нервной системы на производительность кохлеарных имплантов. Это говорит о том, что другие факторы также играют определенную роль в определении успеха распознавания речи с помощью имплантов.

Например, исследования показали, что когнитивные навыки, такие как рабочая память, могут влиять на то, в какой степени человек может понимать речь после имплантации. Кохлеарные импланты увеличивают когнитивную нагрузку или количество умственных усилий, необходимых для выполнения задачи, поскольку качество звука, которое слышат пользователи, часто ниже, чем при естественном слухе. Старение также может негативно повлиять на когнитивные навыки обработки, включая дефицит внимания и замедление скорости обработки задач на прослушивание.

Кроме того, большинство электродных решеток импланта не достигают верхней части улитки, где низкочастотная информация передается естественным слухом. Это приводит к несоответствию между частотами, передаваемыми имплантом, и частотами естественного слуха, что приводит к снижению качества звука.

Скриншот 24.01.23_15.20.42.jpg
Четыре кохлеарных импланта разных цветов. Эффективность кохлеарных имплантов зависит от ряда факторов.

Улучшение кохлеарных имплантов

Ученые изучают ряд потенциальных способов повышения эффективности кохлеарных имплантов.

Прослушивание звука с помощью электростимуляции - это новый опыт для тех, кто привык слышать без импланта. Упражнения для тренировки слуха могут помочь познакомить пользователей с этой новой формой слуха и даже улучшить общее восприятие речи и музыки. Однако даже при обучении обычные кохлеарные импланты могут не полностью воспроизводить богатый опыт естественного слуха.

Исследователи изучают потенциальное использование световых лучей вместо электрических импульсов для получения лучшего частотного разрешения. Это делается путем генетической модификации волокон слухового нерва, чтобы сделать их чувствительными к свету. Поскольку световые лучи способны более избирательно стимулировать слуховые нейроны по сравнению с электрическими импульсами, эта тактика может привести к более точной информации о частоте. Исследовательская группа, стоящая за этим подходом, намерена начать клинические исследования в 2026 году.

Другой подход предполагает введение электродов непосредственно в волокна слухового нерва вместо улитки. За счет увеличения количества доступных электродов эта стратегия может улучшить информацию о частоте звука и времени импланта, а также улучшить понимание речи в шумной обстановке и восприятие музыки.

Наконец, другая разработка использует магнитную стимуляцию для передачи акустической информации с помощью небольших имплантируемых микроспиралей. Этот подход позволяет использовать более тонкие схемы стимуляции, чем широко распространенная электрическая активация традиционных электродов, что потенциально приводит к более точному воспроизведению звуков.

Исследования в области новых технологий могут предоставить решения для дальнейшего улучшения слуха для тех, кто страдает от потери слуха, рассказал Ниязи Арслан, доктор философии, кандидат наук в области речи и слуха из  Университета штата Аризона
#Реабилитация