CC BY
69
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТИМУЛЯЦИЯ НЕЙРОНОВ СЛУХОВОЙ СИСТЕМЫ: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КЛИНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ
Н.Г.Бибиков
ФГУП Акустический Институт им. акад. Н.Н.Андреева, ул. Шверника 4. Москва, 117036, Россия Тел. 099 7236311, Факс 095 126 84 11 [email protected]
Дан обзор новых тенденций в протезировании слухового анализатора. Рассмотрено влияние этих работ на фундаментальные исследования преобразования информации в слуховой системе. Также проанализированы новые подходы к физиологическому изучению возбуждения различных отделов мозга человека с помощью различных неинвазивных методов. Указано, что в данных условиях физиологическое изучение человеческого мозга вполне может оказаться полезным для понимания общих принципов работы слухового анализатора. Работа поддержана грантом РФФИ 05-04 36481.
В последние годы наметилась интересная тенденция в изучении функционирования всех сенсорных систем и в особенности в понимании работы слуховой системы. Она заключается в гораздо более тесной связи физиологических исследований на животных с физиологическими же или клиническими исследованиями на людях. Такому прогрессу во многом способствовало два фактора. Первый из них относится именно к слуховой системе и состоит в. широком применение метода электронного протезирования слуховой функции. Это дает возможность подробного психофизиологического исследования людей, пользующихся этими устройствами в повседневной жизни. Второй фактор заключается в широком распространении различных неинвазивных методов физиологического исследования состояния мозга человека (магнитная томография, термотомография, позитронно-эмиссионная томография и т.д.). Взаимодействие прикладных и фундаментальных исследований в этой области является весьма перспективным. Интересно, что оно не всегда оказывается однонаправленным (из фундаментальной науки в практику). Например, уже с самого начала применения кохлеарных протезов выяснилось преимущество стимуляции нейронов кохлеарного ганглия не просто усиленной электрической копией сигнала, прошедшего фильтрацию, а последовательностью коротких пульсов, частота следования которых определяется локальным по времени уровнем сигнала. Только после этого физиологам удалось внутриклеточно зарегистрировать синаптическую активность в дендритах нейронов спирального ганглия, непосредственно примыкающих к рецепторной клетке. Оказалось, что природа пошла по тому же пути и эта активность, как в отсутствие исходного сигнала, так и при действии звука состоит в генерации коротких импульсов, каждый из которых возникает вследствие синхронного выделения большого числа синаптических пузырьков [1,2]. С другой стороны сам факт наличия в слуховом нерве животных спонтанной активности и факт разнообразия амплитуд синаптических потенциалов, выделяемых внутренними волосковыми клетками, стимулировал создателей систем препроцессинга для кохлеарных протезов обеспечивать стохастичность передаваемой в мозг информации [2,3]. В настоящее время уже ясно, что этот подход позволяет увеличить динамический диапазон слуха протезированных больных и улучшить естественность воспринимаемой речи.
Некоторые результаты исследования лиц, претерпевших кохлеарную имплантацию и прошедших длительный курс обучения и тренировки, демонстрируют удивительную пластичность мозга в вопросе восстановления утраченных функций. Параллельно этому в физиологических работах было показано, что электрическая стимуляция улитки кошки способствует постепенному улучшению временной избирательности нейронов заднего холма
[4]. С другой стороны многолетнее использование слуховых протезов все-таки приводит к определенной деградации самого сенсорного воспринимающего органа
[5]. Таким образом, можно сказать, что при длительном использовании протезов улучшается способность использовать поступающую от него информацию, но несколько ухудшается само качество этой информации. Правда при отсутствии протезирования постепенное ухудшение состояния улитки происходит с не меньшей скоростью[6].
Еще одно интересное поле взаимодействия фундаментальной науки с практикой состоит в намерениях создать протезы, обеспечивающие стимуляцию не волокон слухового нерва, а нейронов кохлеарного ядра. Такие протезы необходимы сравнительно небольшой группе лиц, полностью утративших слуховой нерв либо по каким-то внутренним причинам, либо после операции, обычно связанной с невриномой. Такая постановка задачи стимулировала ряд работ по изучению активности нейронов высших отделов слуховой системы животных при локальной стимуляции отдельных точек кохлеарного ядра [7,8].
Другая область тесного контакта клинических исследований и фундаментальной науки обнаружилась сравнительно недавно в области широкого использования неинвазивных и сравнительно малоинерционных методов исследования локализации возбужденных участков мозга человека томографическими методами. Для локализации мест возбуждения используются методы функционального магнитного резонанса, позитронная эмиссия, термоизлучение и т.д. Эти методы все шире начинают использоваться не только для лечения, но и для функционального физиологического исследования поведения мозга человека. При этом за последние годы получено множество чрезвычайно интересных фактов. В качестве одного из примеров приведем наблюдение над людьми, которых выучили играть на фортепьяно небольшой музыкальный отрывок [9]. При проигрывании этого (и только этого) отрывка выявлялся очаг возбуждения в моторной коре, даже если никаких движений при этом испытуемый не производил. Подобные же эффекты наблюдались и при исследовании речевых функций: восприятие слов родного языка приводило к возбуждении. премоторных зон коры, ответственных за произнесение соответствующих звуков [10]. Представляет значительный интерес, что указанный эффект возвращает исследователей к уже несколько забытой, но очень распространенной в конце прошлого века моторной теории восприятия речи. В последние годы некоторые из этих неинвазивных методов удалось применить даже для исследования подкорковых структур. В частности удалось продемонстрировать нейрональную организацию задних холмов человека, связанную с анализом интерауральных различий во времени прихода сигнала. [11]
Еще одной перспективной областью взаимодействия клинических и функламентальных исследований в области слуховой системы является изучение проблем тиннитуса (звона в ушах), который является быть может наиболее распространенным из недугов, связанных со слуховой системой. Множественные традиционные физиологические работы, а также работы, связанные с применением новых методов регистрации активности мозга человека позволили прийти к следующим основным положениям. Для возникновения тиннитуса должно произойти, по крайней мере, два события. Вначале в периферических областях слухового анализатора должен возникнуть очаг аномального функционирования. Это может быть, например потеря волосковых клеток на определенном участке улитки, сопровождаемая резким изменением степени возбуждения при смене частоты. С другой стороны необходимо, что бы на верхних уровнях слуховой системы (прежде всего в коре), это информация была ошибочно интерпретирована как существование иллюзорного возбуждения, присутствующего как бы при
наличии внешнего источника звука. Эксперименты на животных указывают на большую роль в этом процессе дорсального кохлеарного ядра, где при искусственно вызванном у животных тиннитусе обычно наблюдается усиление спонтанной активности {12,13,14].
I.McKay, C.M., McDermott, H.J., Loudness perception with pulsatile electrical stimulation - the effect of interpulse intervals. J.Acoust. Soc. Am. 104: 1061-1074. 1998.
2.. Prado-Guitierrez P, Fewster LM, Heasman JM McKay CM, Shepherd RK. Effect of interphase gap and pulse duration on electrically evoked potentials is correlated with auditory nerve survival. Hearing Research 215:47-55. 2006.
3. Glowatzki E, Fuchs PA.Transmitter release at the hair cell ribbon synapse. Nat Neurosci. 2002. 5:147-154.
4.Vollmer M, Leake PA, Beitel RE, Rebscher SJ, Snyder RL. Degradation of temporal resolution in the auditory midbrain after prolonged deafness is reversed by electrical stimulation of the cochlea. JNeurophysiol 93: 3339-3355, 2005.
5.Leake PA, Rebscher SJ. Anatomical considerations and long-term effects of electrical stimulation. In: Auditory Prostheses, edited by Zeng FG, Popper AN, Fay RR. New York: Springer Verlag, 2004, p. 101-148.
6.McFadden SL, Ding D, Jiang H, Salvi RJ. Time course of efferent fiber and spiral ganglion cell degeneration following complete hair cell loss in the chinchilla. Brain Res 997: 40-51, 2004.
7. Otto SR, Shannon RV, Brackmann DE, Hitselberger WE, Staller S, Menapace C. The multichannel auditory brain stem implant: performance in twenty patients. Otolaryngol Head Neck Surg 118: 291-303, 1998.
8. Shivdasani MN, Mauger SJ, Rathbone GD, Paolini AG. Inferior colliculus responses to multichannel microstimulation of the ventral cochlear nucleus: implications for auditory brain stem implants. J. Neurophysiol 99: 1-13, 2008.
9. Lahav A , Saltzman E, Schlaug G. Action representation of sound: audiomotor recognition network while listening to newly acquired actions. Journal of Neuroscience, 27:308 -314. 2007.
10 Wilson SM, Saygin AP, Sereno MI, Iacoboni M Listening to speech activates motor areas involved in speech production. Nat Neurosci 7:701-702. 2004.
II. Thompson S K, von Kriegstein K,Deane-Pratt A, Marquardt T, Ralf Deichmann R,Griffiths TD, McAlpine D Representation of interaural time delay in the human auditory midbrain. Nature Neurosci 9:1096-1098. 2006.
12. Tyler RS, Oleson J, Noble W, Coelho C, Ji H Prog Clinical trials for tinnitus: study populations, designs, measurement variables, and data analysis Brain Res. 166:499509. 2007.
13 Zacharek, M.A., Kaltenbach, J.A., Mathog, T.A., Zhang, J.S., Effects of cochlear ablation on noise induced hyperactivity in the hamster dorsal cochlear nucleus: implications on the origin of noise-induced tinnitus. Hearing Res. 172, 137-144. 2002.
14. Ma, W.L., Hidaka, H., May, B.J., Spontaneous activity in the inferior colliculus of CBA/J mice after manipulations that induce tinnitus. Hearing Res. 212, 9-21. 2006.
ELECTRIC STIMULATION OF NEURONS IN THE AUDITORY SYSTEM: INTERACTION OF CLINICAL RESEARCHES AND FUNDAMENTAL SCIENCE.
N.G.Bibikov, N.N.Andreev Acoustical institute. [email protected]
The review of new tendencies in hearing prosthetics is presented. Influence of these works on basic researches devoted to the information processing in auditory system is analyzed. New approaches to human physiological study using various noninvasive methods for estimation of excitation in the brain are analyzed as well. It is specified, that in the given conditions a physiological studying of a human brain can appear very useful to understanding of the general principles auditory processing. Work is supported by the grant of the Russian Fund for Basic Research 05-04 36481.
