Исследователи из Университета Западного Онтарио выявили нейронные механизмы, с помощью которых человеческий мозг строит трехмерную карту слухового пространства. Это открытие имеет непосредственное значение для разработки слуховых аппаратов, кохлеарных имплантатов и программ слуховой реабилитации.
В ходе работы, проведенной в рамках программ аудиологии и нейробиологии Университета Вестерн, использовались иммерсивные виртуальные аудиосреды, включая специально созданный AudioDome, для предъявления слушателям пространственно точных звуковых стимулов с одновременной записью активности мозга.
Контролируемая экспериментальная установка позволила исследователям изолировать способ кодирования слуховой корой высоты, азимута и расстояния до источников звука независимо от визуальных сигналов.
Что на самом деле делает слуховая кора головного мозга
Слуховая кора — область височной доли головного мозга, обрабатывающая поступающие звуки, — делает больше, чем просто определяет частоту и громкость. По данным западной исследовательской группы, она активно вычисляет местоположение источника звука, интегрируя межушные временные различия (микросекундную задержку между моментами, когда звук достигает каждого уха) и межушные различия уровня (незначительные различия в громкости между ушами).
Эти два признака в сочетании со спектральным формированием, обусловленным геометрией наружного уха, позволяют мозгу определять местоположение источника звука методом триангуляции.
Результаты исследований, проведенных на Западе, позволяют получить более детальное представление о том, как этот процесс обработки информации происходит в различных слоях коры головного мозга и во времени. Мозг обрабатывает пространственный звук не за один шаг; вместо этого он применяет последовательные операции фильтрации, которые уточняют воспринимаемое местоположение звука на нескольких этапах обработки.
Эта временная последовательность имеет клиническое значение. Большинство современных слуховых аппаратов восстанавливают амплитуду и частотный состав звука, но передают аудиосигналы, которые в значительной степени обходят пространственную фильтрацию, обычно выполняемую наружным ухом.
В результате, например, пользователи кохлеарных имплантатов часто испытывают трудности с локализацией звука — проблема, которая влияет на понимание речи в шумной обстановке и на пространственное восприятие в целом.
Почему обычные слуховые аппараты не оправдывают ожиданий
Стандартные слуховые аппараты усиливают поступающий аудиосигнал, не сохраняя при этом передаточную функцию головы (HRTF) — индивидуальную акустическую характеристику, которую наружное ухо, голова и туловище придают звуку до того, как он достигнет барабанной перепонки.
Эта сигнатура кодирует пространственную информацию. При её отсутствии или искажении слуховая кора получает обеднённый сигнал и не может достоверно восстановить происхождение звука.
Кохлеарные импланты сталкиваются с аналогичной проблемой. Они преобразуют звук в электрические импульсы, подаваемые непосредственно на слуховой нерв, минуя механизм частотной сортировки улитки. Хотя современные импланты восстанавливают функциональный диапазон речевых частот, пространственное разрешение остается ограниченным.
Исследования, проведенные в западных и других учреждениях, показали, что пользователи бинауральных кохлеарных имплантатов — те, у кого устройства установлены в обоих ушах — по-прежнему демонстрируют результаты значительно ниже, чем люди с нормальным слухом, в задачах определения местоположения звука.
Детальное картирование того, как кора головного мозга обрабатывает пространственные сигналы, проведенное западной командой исследователей, может послужить основой для алгоритмов обработки сигналов, встроенных в устройства следующего поколения, что позволит имплантатам и слуховым аппаратам предварительно кодировать пространственную информацию в формате, который слуховая кора сможет легче интерпретировать.
Эта работа связана с более широкими усилиями в области биомедицинской инженерии — аналогичными по масштабу исследованиям неинвазивных ультразвуковых кардиостимуляторов в Массачусетском технологическом институте, которые также направлены на восстановление физиологических функций путем работы с собственной сигнальной архитектурой организма, а не в обход нее.
Аудиокупол и пространственная точность в исследованиях
Ключевым методологическим вкладом западной программы является AudioDome — сферическая система громкоговорителей, позволяющая размещать источники звука в точно определенных местах трехмерного пространства вокруг сидящего слушателя.
В отличие от экспериментов с использованием наушников, которые основаны на индивидуальных записях HRTF и часто приводят к ошибкам локализации звука спереди, сзади или внутри головы, AudioDome обеспечивает условия прослушивания в свободном поле в лабораторных условиях.
Такая точность важна, потому что пространственная обработка информации в мозге откалибрована под реальную акустическую среду. Эксперименты, приближенные к этим условиям, позволяют получить нейронные данные, которые с большей вероятностью можно обобщить на повседневный слух.
Данная методика позволяет исследователям проверить, как различаются кортикальные реакции на одинаковые пространственные стимулы у слушателей с нормальным слухом, возрастной потерей слуха и использованием слуховых аппаратов — контролируемое сравнение, которое было трудно осуществить с помощью более ранних экспериментальных методов.
Возрастная потеря слуха, известная как пресбикузис, усугубляет нарушения пространственной обработки информации, поскольку она преимущественно ослабляет высокочастотные звуки, несущие важные пространственные ориентиры, особенно для вертикальной локализации.
Благодаря тому, что исследование проводится в Университете Западного Онтарио и охватывает весь жизненный цикл человека, от детей до пожилых людей, полученные результаты актуальны для различных клинических групп, а не только для пользователей слуховых аппаратов.
Путь от нейронауки к клиническому применению
Для преобразования данных кортикального картирования в разработку устройств необходимо объединить две дисциплины, которые исторически работали параллельно, а не в тесном сотрудничестве. Аудиологи характеризуют степень потери слуха и подбирают устройства; инженеры проектируют конвейеры обработки сигналов, основываясь на принципах акустической физики.
Данные нейробиологического уровня о том, как кора головного мозга реагирует на искаженные пространственные сигналы, могут служить ориентиром при проектировании — позволяя определить не только частоты, которые должно передавать устройство, но и пространственную информационную структуру сигнала для обеспечения локализации в коре головного мозга.
Практические сроки такого перевода зависят от того, насколько воспроизводимо можно измерить кортикальные сигнатуры, выявленные командой Вестерна, у разных людей, и будут ли они достаточно стабильны, чтобы служить калибровочными мишенями для персонализированного программирования устройств.
Индивидуальные различия в геометрии HRTF и организации коры головного мозга значительны, а это значит, что результаты, полученные на популяционном уровне, возможно, потребуется адаптировать к индивидуальным протоколам, прежде чем станет возможным клиническое применение.
Исследовательская программа по аудиологии и нейробиологии Университета Вестерн рассматривает эту работу как часть долгосрочных усилий по изменению состояния слуха на протяжении всей жизни — цель, для достижения которой потребуется, чтобы результаты исследований коры головного мозга сохранились при переходе от контролируемых лабораторных условий к изменчивой акустической среде, где потеря слуха вызывает наибольшие повседневные трудности.