Сенсорные системы, 2023, T. 37, № 4, стр. 320-329

ВВЕДЕНИЕ

Изучение вопроса слухового восприятия при электрическом возбуждении слухового нерва позволило разработать уникальный способ кохлеарной имплантации (КИ) для протезирования утраченной слуховой функции при помощи многоканального электрода, введенного во внутреннее ухо человека, и электрического раздражения свободных нервных окончаний спирального ганглия внутреннего уха человека (Wilson et al., 1991; Dorman, Wilson, 2004). КИ не только открыла широкие возможности передачи слуховой информации для людей даже с тотальной глухотой, но и определила новые направления в изучении слуховой системы человека (Wilson, Dorman, 2008; Forli et al., 2021; Chen et al., 2022).

Слуховая система человека является уникальной как с точки зрения своего строения, так и с точки зрения ее функционирования, поскольку она тесно связана со многими другими высшими психическими функциями мозга, такими как речь, память и мышление. При тугоухости возникает дефицит слуховой информации, что приводит к значительному изменению центральных механизмов слухового восприятия. Таким образом, с появлением уникального метода слухопротезирования – КИ открываются совершенно новые возможности в изучении взаимодействия периферических и центральных механизмов слуховой системы человека.

Кохлеарная имплантация уже более 40 лет успешно используется для компенсации утраченной слуховой функции при тотальной глухоте и глубокой степени тугоухости у людей, которым не помогают самые современные слуховые аппараты. Даже при полной глухоте, при полной гибели наружных и внутренних волосковых клеток органа Корти, слуховой нерв в большинстве случаев остается сохранным и способен возбуждаться под действием электрического раздражения. При хирургическом вмешательстве в тимпанальную лестницу улитки вводят многоканальную электродную решетку, которая возбуждает различные группы свободных нервных окончаний от вершины до основания улитки, вызывая соответствующие слуховые ощущения в соответствии с тонотопической организацией улитки.

В последние годы отмечается значительный прогресс в области совершенствования систем КИ (Таварткиладзе, 2015; Forli et al., 2021). Тем не менее остается еще много возможностей для их улучшения (Dorman, Wilson, 2004; Chen et al., 2022). Как отмечают большинство авторов, даже пациенты с наилучшими результатами имеют трудности слухового восприятия в сложных акустических условиях, таких как речь в шуме или в ситуации с одновременно несколькими говорящими (Pralus et al., 2021). Наилучшие результаты наблюдаются у взрослых пациентов с постлингвальной глухотой (Dorman, Spahr, 2006) и у глухих детей с врожденной глухотой, проимплантированных в раннем возрасте (Sharma et al., 2020). С возрастом пластичность мозга у детей снижается, и эффективность КИ уменьшается (Glennon et al., 2020). Это обстоятельство может объяснить тот факт, что глухие дети, имплантированные до трех-четырехлетнего возраста, обычно имеют гораздо лучшие результаты, чем глухие дети, имплантированные в более позднем возрасте (Sharma, 2020; Wilson, 2008). Основное предназначение КИ – это обеспечить как можно более полноценное восприятие разговорной речи. Вместе с тем заметим, что одна из самых больших проблем у пациентов с кохлеарными имплантами возникает при восприятии музыки (Limb, 2014).

Речевой сигнал, кроме основных акустических признаков, которые вызывают определенные субъективные слуховые ощущения (громкость, высота и тембр), передает закодированную смысловую информацию. Речевой сигнал характеризуется следующими акустическими параметрами: основной частотный диапазон 100–7000 Гц, средний уровень разговорной речи 60–70 дБ (уровня звукового давления), динамический диапазон – 35–45 дБ и временные интервалы от нескольких десятков миллисекунд для фонем до сотен миллисекунд для отдельных слов (Алдошина, 2006). Очевидно, что способность человека в определении высоты, громкости, длительности звука и устной речи не может быть одинаковой при акустической и электрической стимуляции слуховой системы ввиду разных областей воздействия на рецепторы внутреннего уха в одном случае и на нейроны клеток спирального ганглия – в другом. Первостепенное значение для слуховой системы имеет восприятие высоты звука.

ВОСПРИЯТИЕ ВЫСОТЫ

Все современные многоканальные системы КИ передают информацию о высоте звука, используя тонотопические карты расположения электродов вдоль базилярной мембраны улитки (Wilson, Dorman, 2008; Forli et al., 2021). Благодаря использованию полосовых фильтров входной акустический сигнал разделяется на несколько частотных каналов, каждый из которых передает определенную полосу частот на свой электрод (рис. 1).

Рис. 1.

Расположение электрода в улитке человека.

1 – улитка внутреннего уха; 2 – слуховой нерв; 3 –электродная решетка.

В соответствии с тонотопической организацией улитки низкочастотные сигналы подаются на апикальные, а высокочастотные – на базальные электроды. При этом апикальные нервные волокна (дендриты клеток спирального ганглия) воспринимают низкочастотную, а базальные – высокочастотную информацию, которая по слуховому нерву передается в центральные отделы слуховой системы, где и возникает полный спектр слуховых ощущений.

Центральные частоты полосовых фильтров рассчитывают таким образом, чтобы стимуляция каждого отдельного электрода вдоль всей электродной решетки максимально приближалась к естественной тонотопической карте улитки (Stakhovskaya et al., 2007). Однако на практике трудно достичь полного соответствия тонотопике улитки в расположении электродов. В разных системах КИ электродная решетка имеет разную длину активной ее части и разную глубину введения в улитку (рис. 2), и даже самая большая электродная решетка не может обеспечить правильное тонотопическое распределение частот для всех электродов.

Рис. 2.

Расположение электродов (Med-El Standard, Nucleus Contour, Advanced Bionics HiRes) на частотной оси вдоль развернутой улитки.

При длине базилярной мембраны 33 мм (Wright et al., 1987), перекрывающей восприятие частот от 20 до 20 000 Гц, обеспечение тонотопического распределения частотного диапазона импланта 100–8000 Гц вдоль всей длины электродной решетки является сложной задачей. Большинство электродных решеток не достигают самых верхушечных завитков улитки, где тонотопически представлены низкие частоты, что препятствует их полноценному восприятию. Ни одна из существующих электродных решеток не может быть вставлена глубже, чем на 30 мм от круглого окна, а в большинстве случаев глубина введения составляет в среднем около 20 мм, что затрудняет восприятие частот ниже 750 Гц (Ketten et al., 1998). Тем не менее известно, что пользователи кохлеарных имплантов хорошо воспринимают все звуки в низкочастотном диапазоне. Согласно классическим представлениям, высота звука определяется не только тонотопической организацией улитки – “теория места”, но и “временной теорией”, которая базируется на анализе временной структуры периодических звуковых сигналов (Zeng, Tang, 2014). При нормальном слухе синхронизация возбуждения в слуховом нерве обеспечивает информацию о высоте на низких частотах вплоть до 5000 Гц (Limb, Alexis Roya, 2014). При электрическом слухе у пользователей КИ высота низкочастотного звука передается с изменением частоты стимуляции только на частотах до 300 Гц (Bissmeyer et al., 2020), что обеспечивает полноценное восприятие частоты основного тона голоса человека. Апикальная (низкочастотная) область улитки имеет важное значение в восприятии тембра голоса и интонации высказывания, она обеспечивает восприятие речевого высказывания как целого (Caldwell et al., 2017). Это, в частности, подтверждается тем фактом, что распознавание речи было лучше у пациентов, которым имплантировали электродную решетку длиной 31.5 мм, чем у пациентов с 28-мм решеткой (Canfarotta, 2022). Более глубокое введение электродов улучшало распознавание речи вплоть до угла введения 600°, после чего распознавание не изменялось.

В отличие от низкочастотного слуха восприятие высоких частот определяется, исходя из “теории места” в соответствии с тонотопической организацией улитки или так называемой функцией Гринвуда (Stakhovskaya, 2007). Однако чаще всего запрограммированная центральная частота полосового фильтра и теоретическая частота, рассчитанная в зависимости от расположения электрода вдоль базилярной мембраны, не совпадают. Это несовпадение характерно для базальных завитков улитки, оно обусловлено различиями в размерах улитки, длине электродной решетки, глубине ее введения и приводит к неточному восприятию высоты тона (Canfarotta, 2022). Эффект несоответствия в большей степени проявляется на высоких частотах, которые при электрическом раздражении переносятся в более высокочастотную область улитки. Он приводит к тому, что речь окружающих людей по словам взрослых, позднооглохших пациентов, воспринимается “как голос у Буратино”. Однако через некоторый период происходит адаптация к новым слуховым ощущениям и восприятие речи становится вполне естественным. По данным Рейсс и соавт. (Reiss et al., 2007), в течение первых лет использования импланта высота тона при раздражении определенным электродом может меняться со временем, иногда на целых две октавы. Вероятно, при этом в центральных отделах происходит перестройка слухового анализа в соответствии с новой тонотопикой улитки (Glennon, 2020). Таким образом, человек воспринимает информацию о высоте звука как за счет тонотопической организации улитки (частотный анализ), так и за счет информации о периоде звуковой волны (временной анализ). Оба вида информации передаются по одним и тем же нервным волокнам, и теория места и временная теория взаимно дополняют друг друга при объяснении восприятия высоты.

Другой существенной характеристикой слухового восприятия является дифференциальная разрешающая способность по частоте. В многочисленных исследованиях установлено, что человек с нормальным слухом способен различить по высоте два звука, отличающихся всего на 0.2% (Gelfand, 2009). При сенсоневральной тугоухости дифференциальный порог повышается до 1% (Freyman, Nelson, 1991; Бобошко и др., 2017), а у пациентов с кохлеарными имплантами составляет больше 6% (Zeng, Tang, 2014).

Даже в многоканальных системах КИ различение частоты является достаточно сложной задачей, что отражается на качестве слухового восприятия, особенно в сложных акустических условиях (Wagner et al., 2021). Ввиду отсутствия механизма частотной селективности, обусловленного функцией наружных волосковых клеток, а также за счет широкой области растекания электрического тока в улитке, различение высоты у пациентов с кохлеарными имплантами значительно хуже, чем у людей с нормальным слухом. У пользователей кохлеарных имплантов способность различения по частоте была в пределах двух полутонов, в то время как участники с нормальным слухом обнаруживали разницу в один полутон (Пудов, Стефанович, 2010; Стефанович, Пудов 2013). Различия в два полутона пациенты могли определить даже при раздражении через один электрод. Заметим, что один полутон соответствует изменению частоты на 6%. Авторы работы (Kang et al., 2009) сообщили, что дифференциальный порог по частоте у пользователей кохлеарных имплантов варьировал от одного до восьми полутонов. Другие авторы отмечали, что пороги различения частоты чистого тона при кохлеарной имплантации варьировали от 1.5 до 9.9% (Goldsworthy, 2015). Вагнер и соавт. (Wagner et al., 2021) изучали распознавание чистого тона при электрическом раздражении через отдельные электроды. Средняя частота правильного принятия решения относительно различия в высоте тона составила около 60% для пользователей кохлеарных имплантов и более 90% при прослушивании того же диапазона частот в группе с нормальным слухом.

Низкая разрешающая способность по частоте у пользователей кохлеарных имплантов проявляется в снижении разборчивости речи и способности восприятия музыки (Wagner еt al., 2021). Tургеон и соавт. (Turgeon еt al., 2015) впервые продемонстрировали взаимосвязь между восприятием высоты тона и уровнем распознавания речи у пользователей кохлеарных имплантов. Авторы показали, что у пользователей кохлеарных имплантов с высоким уровнем распознавания речи порог различения по частоте составляет менее 10%. В то время как у пользователей с низким распознаванием он оказывается около 20%. В последующих работах была установлена высокая корреляционная связь разборчивости речи с частотной разрешающей способностью слуха у пользователей кохлеарных имплантов (Zhang еt al., 2019). Таким образом, с одной стороны, дифференциальный порог по частоте можно использовать как простой нелингвистический тест для оценки результатов КИ, что особенно важно у детей с низким словарным запасом. С другой стороны, совершенствование технологий КИ должно быть направлено на повышение разрешающей способности по частоте. Изложенное выше позволяет предположить, что слуховая тренировка, направленная на повышение частотной разрешающей способности слуха, будет способствовать улучшению качества восприятия устной речи.

ВОСПРИЯТИЕ ГРОМКОСТИ

Другой важной характеристикой слухового восприятия является громкость звука. Громкость – это субъективное ощущение, позволяющее слуховой системе оценивать звуки по определенной шкале в зависимости от их интенсивности – от самой малой (звуковое давление 2 × 10^–5 Н/м²) до очень большой (звуковое давление 20 Н/м²) интенсивности, что соответствует динамическому диапазону 120 дБ. Динамический диапазон по интенсивности определяет число градаций различений громкости. Дифференциальный порог по интенсивности определяет величину минимального различения по громкости двух звуковых сигналов. У людей с нормальным слухом он составляет порядка 1 дБ, при сенсоневральной тугоухости уменьшается до 0.6–0.8 дБ, а у пользователей кохлеарных имплантов, наоборот, увеличивается до 4–6 дБ (Nikakhlagh еt al., 2015). В то же время динамический диапазон у двух последних групп уменьшается, что в свою очередь сказывается на слуховом восприятии сложных акустических сигналов. У пользователей кохлеарных имплантов динамический диапазон определяется свойствами слухового нерва и для единичного волокна он составляет около 6 дБ, но поскольку каждый отдельный электрод стимулирует группу нервных окончаний, динамический диапазон достигает 20 дБ по величине электрического тока (Meredith еt al., 2017). Для того чтобы иметь возможность передавать широкий динамический диапазон звуков в кохлеарных имплантах, используется компрессия динамического диапазона. Однако компрессия звукового сигнала снижает величину градаций различения громкости, что в свою очередь может отразиться на восприятии речи.

В работе (Spahr еt al., 2007) было показано, что увеличение входного динамического диапазона в кохлеарном импланте “Bionic Ear” по сравнению с другими – “Esprit-3G” и “Tempo+”, улучшает разборчивость для всех речевых тестов, в том числе при восприятии гласных и речи в шумных условиях. Однако сами авторы не исключают, что эти различия могут быть обусловлены различием конструкций самих кохлеарных имплантов, использующих разные способы компрессии и шумоподавления. Согласно результатам работы (Loizou еt al., 2000), компрессия динамического диапазона по-разному отражается на восприятии различного речевого материала – гласные, согласные и целые предложения. По результатам этой работы сжатие больше всего влияет на распознавание гласных и меньше всего – на распознавание согласных звуков. В то же время сжатие умеренно отражается на распознавании предложений. Таким образом, динамический диапазон по громкости несущественно влияет на способность восприятия устной речи (Kim еt al., 2018).

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХА

Речевые сигналы, как и другие окружающие звуки, меняются с течением времени, что делает временную обработку важным компонентом восприятия разговорной речи. Временная интеграция относится к способности слуховой системы суммировать информацию с увеличением продолжительности сигнала вплоть до критической длительности 200 мс (Plomp еt al., 1959). В этом диапазоне порог слухового восприятия повышается с крутизной 10 дБ на десятикратное уменьшение длительности, и короткие сигналы воспринимаются более тихими, что затрудняет их восприятие. При восприятии речи более важной характеристикой слуха оказывается временное разрешение, т.е. способность обнаружения коротких интервалов между двумя сигналами. Временная разрешающая способность слуха составляет около 10 мс и является важной характеристикой в различении временных параметров речи (Divenyi, Shannon, 1983). По мнению автора работы (Rawool, 2006), у детей и у пожилых людей с центральными нарушениями слуха наблюдается дефицит временной обработки, который может повлиять на их способность понимания устной речи.

Спектральное и временное разрешение слуха играет важную роль в восприятии речи, поскольку речь содержит множество контрастных частотных и временных сигналов. Так, одни авторы отмечают высокую взаимосвязь восприятия разговорной речи с частотной разрешающей способностью слуха (Zhang еt al., 2019), а другие придают более важную роль в анализе речи временной разрешающей способности (Dianzhao еt al., 2022). Вероятно, что различие этих выводов связано с тем, что разные пользователи кохлеарных имплантов используют различные критерии в восприятии речи – в одних случаях спектральные, а в других временные (Winn еt al., 2016). Основываясь на формантной теории восприятия речи, можно предположить, что при различении гласных звуков наиболее важной оказывается частотная разрешающая способность слуха. Однако не исключено, что при низкой частотной разрешающей способности определяющее значение приобретают временные характеристики слуха. У взрослых пользователей кохлеарных имплантов временное разрешение оказывает большое влияние на слуховое различение в сложных условиях прослушивания, например, в условиях шума (Cesur, Derinsu, 2020). С другой стороны, при высокой частотной разрешающей способности слуха у взрослых постлингвальных пользователей кохлеарных имплантов, которые являются носителями мандаринского китайского языка, отмечается хорошая корреляция обнаружения интервала с восприятием двухсложных слов (R² = 0.45), предложений (R² = 0.43) и порогом восприятия числительных в шуме (R² = 0.36) (Dianzhao еt al., 2022). Заметим, что у этих пациентов изначально была высокая способность обнаруживать изменение частоты менее 5%. Таким образом, у разных категорий пользователей кохлеарных имплантов ведущую роль в восприятии речи могут играть в одних случаях спектральные, в других временные характеристики слуха, а в третьих – и те и другие.

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ СЛУХОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ И РЕАБИЛИТАЦИЯ

Обеспечение необходимой частотной и временной разрешающей способности при электрической стимуляции нервных волокон является важной задачей для повышения качества восприятия речи у пользователей кохлеарных имплантов, но ее решения недостаточно для развития языковых навыков и собственной экспрессивной речи, особенно у детей с врожденной глухотой. В формировании устной речи ведущая роль принадлежит центральным отделам слуховой системы.

Исследование корковых слуховых вызванных потенциалов у детей с врожденной глухотой позволило установить существование временной границы для развития центральных слуховых отделов максимально пластичных в своем развитии в возрасте детей до 3.5 лет (Sharma, Dorman, 2006). Если стимуляция проводится в течение данного периода, латентность этих потенциалов достигает нормальных возрастных значений уже в течение трех-шести месяцев после начала стимуляции. Если же стимуляция проводится после 7 лет, то латентность меняется очень медленно в течение нескольких лет. С возрастом у ребенка снижается пластичность мозга и затрудняются процессы формирования центральных слуховых механизмов, поэтому необходимо проводить кохлеарную имплантацию у детей как можно в более раннем возрасте (Glennon еt al., 2020). Ранний возраст ребенка при кохлеарной имплантации приводит к улучшению развития языковых навыков у детей с врожденной глухотой.

Другим аспектом пластичности является реорганизация коры головного мозга при помощи других сенсорных модальностей, например, зрения. Дети с врожденной глухотой, которым проведена кохлеарная имплантация после окончания сенситивного периода, испытывают значительные трудности с восприятием устной речи на слуховой основе и, как правило, используют слухозрительное восприятие речи с опорой на артикуляцию губ (Sharma, Dorman, 2006).

Все пользователи кохлеарных имплантов независимо от их возраста и уровня речевого развития нуждаются в слухоречевой реабилитации, включающей адаптацию к новым слуховым ощущениям и развитие слухоречевых навыков (Королева, 2009; 2023). На первом этапе реабилитации проводится адаптация к бытовым звукам и формируется способность восприятия высоты, громкости и длительности звуков. Эти ощущения формируются первыми с самого начала реабилитации и совершенствуются в процессе накопления слухового опыта. Слуховая тренировка, направленная на повышение частотной и временной разрешающей способности слуха, в дальнейшем способствует улучшению качества восприятия устной речи.

На втором этапе слухоречевой реабилитации практически одновременно с первым этапом специалистом дефектологом проводится систематическая целенаправленная работа по развитию языковых навыков ребенка (фонетический, лексический и грамматический). При правильной организации процесса реабилитации она позволяет ребенку достаточно быстро научиться понимать отдельные слова и фразы уже по истечении шести месяцев. Затем начинает формироваться экспрессивная речь. С повышением возраста имплантируемого ребенка с врожденной глухотой процесс развития восприятия речи значительно замедляется и требуется длительная работа над развитием слухового восприятия и устной разговорной речи ребенка (Sharma еt al., 2020).

Слухоречевая реабилитация после операции кохлеарной имплантации является важной составляющей в развитии слуховых и речевых навыков для всех категорий пользователей кохлеарных имплантов. Ее продолжительность может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет. Кроме того, широкий спектр факторов, влияющих на результативность кохлеарной имплантации, предполагает, что для каждого пациента в зависимости от его возраста, длительности глухоты, уровня развития нейрокогнитивной функции и лингвистических навыков необходимо разрабатывать индивидуальный подход к организации процесса реабилитации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кохлеарная имплантация – уникальная технология в реабилитации больных с тяжелой степенью тугоухости и полной глухотой. Тем не менее качество восприятия речи у пользователей КИ существенно ограничено из-за низкой разрешающей способности по частоте, искажения восприятия высоты и сжатия динамического диапазона. По мнению большинства авторов, главным фактором в повышении разборчивости речи, а также способности восприятия музыки является разрешающая способность по частоте (Meredith еt al., 2017; Zhang еt al., 2019). Другие авторы отмечают высокую корреляцию разборчивости речи с временной разрешающей способностью слуха (Cesur, Derinsu, 2020; Dianzhao еt al., 2022). Вероятно, что различие этих результатов связано с тем, что разные пользователи кохлеарных имплантов используют разные критерии в восприятии речи – в одних случаях спектральные, а в других временные (Winn еt al., 2016).

И частотная, и временная разрешающая способность являются важными слуховыми характеристиками для повышения качества восприятия речи у пользователей КИ, но ведущая роль в формировании устной речи принадлежит центральным отделам слуховой системы. В процессе слухоречевой реабилитации формируются центральные слуховые механизмы восприятия разговорной речи. Установлено, что слуховая тренировка, направленная на повышение частотной и временной разрешающей способности слуха, способствует улучшению качества восприятия устной речи.

Исследование корковых слуховых вызванных потенциалов у детей с врожденной глухотой позволило установить временные границы для развития центральных слуховых отделов максимально пластичных в своем развитии в возрасте детей до 3.5 лет. С возрастом у ребенка ухудшается пластичность мозга и затрудняются процессы формирования центральных слуховых механизмов, поэтому необходимо проводить кохлеарную имплантацию как можно в раннем возрасте (Glennon еt al., 2020).

Дальнейшее изучение особенностей слухового восприятия при электрической стимуляции слухового нерва не только открывает новые возможности в изучении слуховой системы человека, но и позволяет предложить новые подходы для улучшения слуховых способностей пользователей кохлеарных имплантов.