звуки для стимуляции мозга
Тренировки для мозга: какие они бывают, и зачем они нужны. Советы специалиста
Человеческий мозг по-прежнему остается самой большой загадкой. Однако, благодаря стремительному развитию нейронаук, мы научились управлять его состоянием. Медитация и релаксация, развивающие и интеллектуальные упражнения, нейрофидбэк-тренинг — всё это методики, направленные на тренировку нашего мозга. Рассказываем, как это работает и зачем это нужно. В тонкостях данного вопроса нам помогла разобраться Ольга Чащина, врач-психотерапевт, к. м. н., специалист по нейротехнологиям X-Clinic.
Зарядка для мозга
Тренировки для мозга, подобно зарядке для тела, помогают нам оставаться молодыми и энергичными. При занятиях спортом формируется мышечная ткань, тело становится упругим и подтянутым, примерно тот же принцип соблюдается и при работе с головным мозгом: при регулярных упражнениях формируются новые нейронные связи, которые влияют на психологическую гибкость и способность адаптироваться к разным условиям. Причем, как и в ситуации с телом, систематичность — важное условие крепкого и устойчивого здоровья.
Тренировать сознание и головной мозг можно самыми различными способами, например, для улучшения концентрации внимания подойдут головоломки, видеоигры, различные тренажеры и скорочтение. Улучшить память и избавиться от стресса можно при помощи медитаций и практики осознанности. Есть и сочетающие в себе все это методики, основанные на новейших исследованиях в области нейрофизиологии, например, нейрофидбэк-тренинг.
Медитация
Есть множество различных техник медитации, но остановимся на самой, казалось бы, простой — посидеть в тишине с закрытыми глазами, сосредоточившись на дыхании. Даже такое на первый взгляд простое упражнение может вызвать массу препятствий. В первый раз будет крайне трудно просидеть даже минуту без назойливых мыслей, обуревающих сознание. Тем не менее, постепенно останавливая поток сознания и возвращаясь к дыханию, вы поможете своему мозгу перезагрузиться. Ежедневные практики помогают избавиться от тревожности, уменьшить воздействие стресса и научиться контролировать внимание.
Исследования доказывают, что те, кто практикуют медитацию каждый день, имеют более толстый слой серого вещества именно в тех зонах, которые отвечают за внимание и психологическую гибкость. Тренировка мозга при помощи медитации приводит к тому, что со временем нужно прикладывать все меньше усилий для фокусировки вашего внимания. А это значит, что со временем вам станет легче концентрироваться в обычной жизни, когда это необходимо — например, на важном совещании или сдаче экзамена.
Онлайн-тренажеры и игры
На смену кроссвордам и печатным судоку пришли онлайн-сервисы для развития и тренировки мозга. Можно выбрать любой: начиная от онлайн-головоломок до развивающих игр, которые анализируют ваше игровое поведение и адаптируются под ваши решения. Самые популярные — «Викиум», Uplift и «Битрейника». Для чего это нужно? Во-первых, выполнение упражнений может быть просто интересным. Во-вторых, это позволяет отвлечься от будничных стрессовых ситуаций с пользой для здоровья. С прагматической точки зрения такие упражнения способствуют улучшению когнитивных способностей, что со временем поможет вам быстрее решать жизненные и рабочие задачи, запоминать имена коллег и знакомых, а также не забывать про важные семейные даты.
Нейрофидбэк-тренинг
Одна из перспективных методик — нейрофидбэк-тренинг. Это процедура, позволяющая научиться контролировать активность собственного мозга. В ее основу заложен принцип биологической обратной связи. Во время нейрофидбэк-тренинга малые электрические сигналы головного мозга измеряются с помощью электродов, прикрепленных к коже головы, и с помощью программного обеспечения превращаются в звук и изображение. То есть компьютерная программа создает в режиме реального времени визуализацию биоэлектрической активности мозга.
Как это происходит
Врач дает инструкции — и если ритмы мозга свидетельствуют о переходе в нужное терапевтическое состояние, то программа на экране изменяет изображение, звуковое сопровождение и интенсивность вибрации тактильного датчика. Обратная связь облегчает процесс обучения физиологическому контролю, а компьютерная программа делает доступной информацию, в обычных условиях невоспринимаемую. При необходимости врач подключает дополнительные техники для управления эмоциональным состоянием, чтобы усилить эффект от нейрофидбэк-тренинга.
Получается, что можно влиять на ритмы мозга в интерактивном режиме, отслеживая, фиксируя свои ощущения. По мере продолжения тренировок и закрепления желаемого чувства расслабления приобретается навык переходить в необходимое терапевтическое состояние самостоятельно в любой момент времени.
Подписаться на новости
В соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006, отправляя любую форму на этом сайте, вы подтверждаете свое
согласие на обработку персональных данных.
Ученые работают над этим. Перспективные инновационные методы восстановления слуха
Автор: Редакция Мастерслух
Еще несколько десятилетий назад кохлеарная имплантация казалась фантастикой. Сегодня же в мире около полумиллиона человек используют вживленные слуховые протезы, их число увеличивается ежегодно на тысячи человек! И никого это не удивляет. Что может предложить современная наука людям с потерей слуха сегодня и завтра? Рассказывает Евгения Григорьева – врач сурдолог-оториноларинголог медицинского центра «МастерСлух-Астрахань».
Наука не стоит на месте
Электрический слух: от первой стимуляции улитки до наших дней
Над тем, чтобы помочь неслышащим людям хотя бы немного ориентироваться в мире звуков, врачи и ученые начали биться еще в XIX веке. Но тогдашний уровень развития технологий и медицины не позволял говорить об имплантации. В разных странах вплоть до середины XX века проводились только эксперименты с электрической стимуляцией слухового нерва.
В 1961 году в США врач Уильям Хаус первым разработал одноканальный слуховой аппарат, чьи электроды подключались непосредственно к улитке. Испытателями стали три пациента-добровольца и, судя по всему, остались довольны.
Многоканальный аппарат, стимулирующий улитку с разных точек, появился спустя десятилетие. Это заслуга представителя Мельбурнского университета Грэма Кларка. Вживление подобного прибора пациенту было произведено в 1978 году там же, в Австралии. Первым носителем стал житель Мельбурна Род Сондерс.
А спустя несколько лет на волне успеха разработок по борьбе с глухотой в стране появилась компания Cochlear, до сих пор являющаяся одним из мировых лидеров по производству медицинского слухового оборудования.
В 1985 году на базе австралийских разработок подобная имплантация была разрешена FDA (американским Управлением по санитарному надзору, аналогом нашего Роспотребнадзора) сначала взрослым, а в 1990 году – детям старше двух лет.
В СССР долго велись свои разработки, однако ученым так и не удалось опередить другие страны в области кохлеарной имплантации. Многоканальные кохлеарные импланты впервые были применены в 1991 году, когда сотрудники НИИ аудиологии и слухопротезирования провели две операции используя кохлеарные импланты системы Cochlear.
В этом году программе кохлеарной имплантации в России исполняется 30 лет!
В 1997 году к программе подключился НИИ уха горла носа и речи Санкт-Петербурга.
Спустя восемь лет – Московский НИИ оториноларингологии.
Естественно, возможности медицины 1980-х, самого конца XX века и первой половины XXI несопоставимы.
Вместе с ростом технологий, кохлеарная имплантация развивается огромными темпами!
Широкие возможности для узких показаний
Вы, вероятно, удивитесь, но среди имплантов, позволяющих лучше слышать, есть не только кохлеарные. Просто о них меньше говорят, они реже используются, зачастую – технически сложнее.
Импланты среднего уха. По своему виду и функционалу похожи на кохлеарные, но их применяют пациенты с проблемами среднего уха (например, хроническими средними отитами) – люди, которые не могут пользоваться обычными слуховыми аппаратами. В отличие от КИ, имплант среднего уха устанавливается до улитки, а снаружи будет такой же настраиваемый звуковой процессор.
Стволомозговая имплантация – способ восстановления слуха для людей, у которых есть противопоказания к кохлеарной имплантации или ее проведение нецелесообразно. Показания здесь еще более узкие: отсутствие или повреждение слухового нерва в результате травмы или удаления опухоли. У детей чаще всего встречается полная оссификация (окостенение) улитки, когда невозможно использовать кохлеарный имплант, потому что он вживляется в улитку. Стволомозговой же имплант внедряется в кохлеарные ядра. Но это уже совсем другой, более сложный уровень операции. Воздействие ведется на подкорневые центры мозга. Первые подобные операции начали проводиться только в 1992 году, а в России – в 2014-м. Период реабилитации пациентов дольше и намного сложнее, чем после кохлеарной имплантации, прооперированные люди медленнее адаптируются к новым слуховым ощущениям.
Системы с электроакустической стимуляцией. В них одновременно используются две технологии: кохлеарная имплантация и слуховые аппараты. Подобные приборы предназначены для людей с частичной глухотой, например когда слух сохранен на низких частотах или не воспринимаются только высокие звуки. Такие пациенты безо всяких медицинских приборов могут почти идеально слышать в одной акустической обстановке (тихие разговоры, мужские голоса и т. п.) но в другой (когда вокруг шумно или разговаривают в основном женщины и дети высокими голосами) – вообще никак.
Импланты костной проводимости. Эти медицинские приборы могут быть показаны детям, родившимся с аномалиями развития наружного и среднего уха, а также взрослым пациентам с хроническими средними отитами или когда нет возможности иными способами улучшить слух. В данных системах используется костное проведение звуков, т. е. звуковые колебания передаются по костям черепа непосредственно в улитку и далее в слуховые проводящие пути.
Наши специалисты работают с разными проблемами со слухом, каждая требует тщательной диагностики. Если именно имплантация лучше всего поможет в вашем случае, мы направим на операцию, расскажем о возможностях в этой области. Обращайтесь в центры «МастерСлух».
Имплантация – не потолок в развитии
Кохлеарная имплантация – один из самых эффективных, а в большинстве случаев единственно возможный метод реабилитации пациентов с тяжелыми нарушениями слуха, шанс для таких людей жить максимально полноценной жизнью. Но какой бы удобной и продвинутой ни была технология, это, по сути, протезирование, вынужденная замена природного слуха, потому что иначе человек вообще не слышит.
Современным ученым кажутся перспективными разработки, направленные не на компенсацию утраченных возможностей органа чувств, а на его полное восстановление. И да – когда-то это казалось такой же фантастикой, как и вживление электродов.
В первую очередь речь о внедрении стволовых клеток, по сути, строительного материала для клеток всего организма. В случае с потерей слуха стволовые клетки теоретически могут заменить утраченные, полностью разрушенные внутренние волосковые клетки улитки. Работы в этом направлении сегодня активно ведутся. Но пока нет речи о том, чтобы полностью восстановить таким образом слух. Ближайшая цель – внедрить сам метод наряду с медикаментозным, как более эффективный. Например, известно, что после некоторых заболеваний (в том числе очень распространенных, респираторных, включая коронавирус) у человека могут отмирать волосковые клетки улитки. И они не восстанавливаются! Если вовремя начать гормональную терапию, процесс можно остановить, но не обратить. Стволовые клетки же дадут широкие возможности именно для восстановления, так как, упрощенно говоря, превратятся в необходимые волосковые.
Мечты генетиков – самовосстановление нарушенного или отсутствующего слуха. В настоящее время известно около 100 генов в нашем организме, отвечающих за работу органов слуха. Генетическая терапия на всех стадиях жизни человека может помочь. Есть высокая вероятность, что через 50 лет мы перестанем считать кохлеарную имплантацию продвинутым методом, а о слуховых аппаратах вообще забудем и сможем возвращать полностью утраченный слух. Безоперационно будем помогать родившимся с полным отсутствием слуха малышам или корректировать проблему еще на эмбриональной стадии.
Расскажите или сохраните себе:
Еще в разделе “О слухе”
Звук, который всегда с тобой
Из-за чего возникает шум, гул и свист в ушах, что с ними делать, если они отравляют жизнь, и вообще – опасно ли это? Как определить причину и можно ли избавиться от неприятных слуховых ощущений навсегда? Читать далее →
Головокружение, шум в ушах, снижение слуха… Может быть, это болезнь Меньера?
Довольно редкая и несмертельная, она способна очень сильно ухудшить качество жизни и привести к глухоте. Как определить и лечить болезнь Меньера рассказывает сурдолог-оториноларинголог медцентра «МастерСлух» в Астрахани Евгения Григорьева. Читать далее →
Первый звонок услышали все. Что дальше?
Праздник – День знаний закончился. Начались учебные будни. Дети потихоньку вливаются в учебный процесс, но ребятам со слуховыми аппаратами и кохлеарными имплантами, конечно, сложнее. Родители волнуются. Педагогам, впервые столкнувшимся со слабослышащими учениками, тоже может быть непросто. А ведь еще только сентябрь. Читать далее →
Метод Томатис и Томатис-терапия
Томатис — это метод нейросенсорной стимуляции с помощью специально обработанного звука. Современный аппарат Tomatis представляет собой маленький цифровой планшет Talks up.
История метода
Основоположником метода Томатис был врач-отоларинголог (ЛОР), хирург, фониатр Альфред Томатис. Будучи сыном оперного певца, в детстве он много времени проводил в оперном театре, что и породило его интерес к процессу слушания. Работая уже как врач с оперными певцами и артистами, он сделал различные исследования о связи уха и способностей человека, что и легло в основу метода.
Постепенно метод совершенствовался, область применения все больше расширялась от пения к ораторскому искусству, затем к изучению иностранных языков, помощи школьникам в улучшении успеваемости и далее к работе с особыми детьми, например, с аутизмом, сенсомоторными проблемами. Технический прогресс также не стоял на месте, и постепенно из огромной машины по преобразованию звука аппарат Томатиса превратился в маленький цифровой планшет Talks up®.
В 2000 году Альфред Томатис передал своему сыну Кристиану все активы своего Метода, и тот основал компанию TOMATIS DEVELOPPEMENT S.A. На данный момент она является эксклюзивным собственником Метода Tomatis®. Сейчас в компании работают внуки изобретателя Метода Томатис — Грегуар Томатис, директор и администратор, и Софи Томатис, клинический психолог и юрист.
Принципы работы
В основе метода лежит связь среднего и внутреннего уха с мозгом и нервной системой. Специалисты Томатис говорят, что «Ухо — это дверь для доступа ко всей нервной системе». Посылая звуковые волны с различными параметрами в ухо, а через него в мозг, специалист целенаправленно может влиять на те или иные функции психики человека, например, снять излишнюю тревожность, наладить сон, уменьшить возбудимость или, наоборот, усилить концентрацию, увеличить энергичность, повысить способности к коммуникации.
Со стороны может показаться, что человек «просто слушает музыку». Но на самом деле каждый музыкальный трек обработан особым образом с помощью специальных фильтров методики Томатис. В каждой музыкальной композиции содержатся свои уникальные настройки, которые специалист по Томатис-терапии подбирает индивидуально для каждого клиента в зависимости от задач, поставленных в начале работы. И в каждом случае эффект будет немного разным, в зависимости от человека, его особенностей, возраста и других обстоятельств.
Каждая программа слушания влияет на все три зоны, но на «целевых зонах» специалист делает отдельный акцент для более интенсивного воздействия. Помимо параметра частоты есть также ряд других параметров, которые в общей сложности и дают всемирно известный «эффект Томатис».
Показания к курсу Томатис-терапии
Метод обладает огромными возможностями. Однако он не является «волшебной таблеткой». Важно соблюдать рекомендации специалиста, а также усиливать эффект между занятиями и курсами: заниматься с профильными специалистами по вашей проблеме (логопед, дефектолог, психолог, педагог и так далее); больше общаться с ребенком дома, играть, читать, слушать музыку; улучшать качество внутрисемейной коммуникации. Курс Томатис можно проходить, начиная с возраста 2 лет.
Кто проводит Томатис-терапию
Компания Tomatis® тщательно проверяет всех специалистов перед приемом на обучение. Поэтому практиковать метод могут только профессионалы: психологи, логопеды, педагоги и врачи с опытом работы не менее трех лет (перечень всех лицензированных специалистов в мире можно найти на их официальном сайте www.tomatis.com). После обучения все специалисты Томатис остаются в профессиональном сообществе, где регулярно получают свежую информацию по новым исследованиям в различных странах, а также участвуют в профессиональных вебинарах и конференциях, повышая свою квалификацию. Таким образом, компания Tomatis контролирует качество работы своих специалистов.
В нашем центре метод Томатиса применяет директор центра, клинический психолог Александрова Ольга Александровна, лицензированный практик Tomatis. Международная компания Томатис является единственным правообладателем на все торговые марки и знаки Tomatis® и Talks up®. В нашем центре используется только оригинальное оборудование Tomatis® (к сожалению, в России есть много подделок и так называемых «аналогов», которые по факту не являются аппаратом Томатис). Современный («настоящий») аппарат Томатис — это цифровой планшет (так называемое «электронное ухо») Talks up® и наушники Tomatis (они могут быть проводными и беспроводными). Наушники не простые, а со специальным костным вибратором на затылочной части. То есть с помощью костной проводимости в ухо также поступает отдельный сигнал (который обрабатывается особым образом и влияет на мозг клиента). 
Сертификат о получении лицензии по практике применения Томатис-терапии для детей, подростков и взрослых (метод нейросенсорной стимуляции с помощью звука)
Как проходит Томатис-терапия
Перед первым курсом необходимо пройти первичную консультацию со специалистом. В процессе первой встречи клинический психолог Александрова Ольга знакомится с клиентами, собирает анамнез, проводит тест TED для родителей (если Томатис будет проходить ребенок), формулирует задачи на курс Томатис (это необходимо для выбора конкретной программы).
Далее проходит сам курс Томатис: он содержит 14 сеансов по 40-80 минут (в зависимости от возраста и особенностей клиента). В течение сеанса можно играть, собирать пазлы, заниматься рукоделием, отдыхать, конструировать, рисовать, читать и писать, решать задачки, делать уроки. Можно пить, но нельзя есть. Можно общаться (не снимая наушников). Лучше, если родитель во время сеанса сидит в другой комнате (если это невозможно, то разрешается присутствовать вместе). Если ребенок уснул во время сеанса, это значит, что мозг работает. Это хороший эффект. Во время сна ребенка Томатис продолжает работать.
Необходимо проводить 4-5 сеансов в неделю, чтобы нагрузка была интенсивной, но присутствовал и отдых. После первого курса — перерыв 1 месяц. В это время важно использовать образовавшийся потенциал мозга для усиления эффекта: заниматься с логопедом, дефектологом, психологом, педагогом или просто с родителями дома (в зависимости от конкретной ситуации и целей терапии). Особенно рекомендованы занятия с аппаратом Forbrain (от компании Томатис). Этот аппарат специально создан для усиления эффекта от основного курса Томатис. Данный аппарат также есть в нашем центре и используется специалистами на занятиях.
Далее — курс необходимо повторить (перед вторым курсом нужно проанализировать результаты первого; возможно, специалист снова предложит пройти тест TED, чтобы посмотреть разницу с началом терапии). Второй курс подразумевает новые задачи, с учетом результатов, достигнутых в первой программе Томатис.
Далее Томатис-терапия может быть окончена либо назначен третий, а, возможно, и четвертый курс (в некоторых случаях до 5 программ в год). Решение об окончании или продолжении принимают родители вместе со специалистом Томатис, основываясь на достигнутых результатах. В перерывах также особенно рекомендованы занятия с профильными специалистами, использование наушников Forbrain, чтение, прослушивание музыки дома.
Противопоказания к Томатис
Метод Томатис не является лечением, система Tomatis является педагогическим методом. Поэтому единственное противопоказание — это глухота или сильное нарушение слуха. При кохлеарной имплатнации — проводится с ограничениями. Эпилепсия также не является противопоказанием, однако об этом заболевании родители должны сообщить специалисту, чтобы был выбран соответствующий тип программы (Томатис не провоцирует приступ).
Важно помнить, что сеансы должны проводиться при хорошем самочувствии и отсутствии острых периодов любых заболеваний. На период болезни клиента сеансы прекращаются, затем возобновляются.
Первичная консультация со специалистом перед курсом стоит 1500 рублей, сам курс Томатис-терапии 14 сеансов по 40-80 минут стоит 16 000 рублей.
Запишитесь на консультацию. Логопед или психолог центра определит индивидуальные особенности вашей проблемы и даст рекомендации по коррекции, а также составит план для занятий в центре и дома. Такая система работы сделает коррекционный маршрут наиболее эффективным.
Принимаем очно в Петербурге и Ижевске. Консультируем онлайн.
Поймать звук: от молекул до импланта, слышащего свет
Автор статьи (Марина Слащева) и ее коллега по программе (Elisabeth Fritsch) работают над заморозкой образцов кортиева органа, подготовкой их к электронной томографии и последующей обработкой данных.
иллюстрация Manasi Pethe
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Слух кажется таким естественным, что мы никогда не задумываемся о нем. В статье вы узнаете не только о том, как работает ухо, но и познакомитесь с современными методами изучения молекулярных процессов передачи звука и передовыми технологиями коррекции патологий слуха с помощью оптогенетики.
Конкурс «био/мол/текст»-2018
Эта работа заняла первое место в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2018.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.
Листья шепчут вдоль тротуаров в три часа ночи, похоронный караван катится по пустынным рельсам, и сверчки внезапно, без всякой на то причины, замолкают, да так, что ты слышишь стук своего сердца, хотя лучше бы его не слышать.
Рей Бредбери. Дзен в искусстве написания книг
Каждый день мы окунаемся в мир звуков не меньше, чем в мир визуальных образов. Задумайтесь на секунду, какое обилие звуков окружает вас прямо сейчас: от тихого дуновения ветра до раздражающего гудения машин за окном. Вы пытаетесь отбиться от них, сосредоточиться, но звуки налетают со всех сторон и врываются в сознание — от них невозможно избавиться также просто, как от картинок, закрыв глаза. Как устроено ухо и как работает слух? Как ученые бьются над загадками восприятия звуков и нарушения слуха? В этой статье я расскажу о своей работе в Институте нейробиологии слуха в Гёттингине и передовых исследованиях на самых разных уровнях: от того, как мы ловим молекулярные механизмы передачи звука с помощью новейших технологий, до оптогенетического импланта (имплантата): невероятного устройства, позволяющего «слышать» свет. Танцующие волосковые клетки, говорящее ухо, мартышки-киборги с оптогенетическими имплантами — присоединяйтесь к безумному шоу звука и света!
Часть 1. Обзорная: как мы слышим?
Чтобы разобраться в самых передовых исследованиях в области слуха, необходимо понять, как работает ухо человека. Ухо является невероятно сложной системой и состоит из нескольких отделов; оно улавливает звуки из окружающего мира, усиливает их, преобразует в сигнал, понятный нейронам, и отправляет в мозг. Для начала давайте разберемся, что представляет собой звук и как его можно измерить, а потом перейдем к описанию работы самого уха и к нескольким интересным фактам о нем.
Что такое звук с точки зрения физики
Первая фраза о слухе в любом учебнике по нейрофизиологии сообщает о том, что человеческое ухо воспринимает звуки в диапазоне частот от 16(20) до 20 000 герц. По-видимому, этот диапазон велик, но что эти цифры в действительности означают? Частота звука выражается в количестве циклов колебаний, которые звук проделывает за одну секунду. Для порогов восприятия человека это будет 20 или 20 тысяч циклов в секунду, и такой звук будет восприниматься как низкий и высокий соответственно. При этом реально данный порог не зафиксирован, а зависит от громкости звука, которую измеряют в децибелах. Громкость звука можно понимать как давление, оказываемой волной звука на барабанную перепонку: чем сильнее давление, тем громче звук. Так, в диапазоне от 0 (тишина) до 130 децибел (болевой порог) громкость нормальной речи располагается на уровне 50–60, а концерт рок-группы — 110–120 децибел (рис. 1).
Рисунок 1. «Термометр» шума: громкость различных звуков, окружающих нас, в децибелах
Однако нейробиологам этого было не достаточно, и они придумали измерять громкость звука в фонах. Дело в том, что человеческое ухо — это не абстрактная мембрана в вакууме, а биологический объект, который воспринимает разные частоты звука с разной чувствительностью, и измерение громкости звука в фонах делает на это поправку. График взаимоотношений между частотой звука, децибелами и фонами можно порассматривать по этой ссылке. Так что нижним порогом хоть и считается звук частотой в 20 герц, услышать его можно только при уровне звука в 70 децибел и выше. Тем не менее, списывать герцы со счетов не стоит: дальше мы увидим, где в нейробиологии слуха звук удобно описывать в герцах.
Из чего состоит ухо и как оно усиливает звук?
Теперь от устройства звука перейдем к уху — органу чувств, этот звук воспринимающему. В учебниках принято делить ухо на три отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо (рис. 2) [1]. Все самое интересное происходит во внутреннем ухе, и ему будет посвящена бóльшая часть статьи, но тут я коротко опишу предназначение других отделов.
Рисунок 2. Основные отделы уха: наружное, среднее и внутреннее
Наружное ухо знакомо всем и не нуждается в особом представлении — это ушная раковина и наружный слуховой проход. Ушная раковина благодаря своей форме улавливает окружающие звуки. Многие животные, возьмем хотя бы собак, могут ею двигать и контролировать поступающие звуковые волны — способность, утерянная большей частью представителей Homo sapiens.
Среднее ухо отделено от наружного барабанной перепонкой и содержит три самые маленькие косточки в организме: молоточек, наковальню и стремечко, — на которые с барабанной перепонки передается звуковое колебание воздуха. Косточки работают как система рычагов, за счет чего улавливают звук и передают его к следующей мембране — овальному окошечку. Любая сенсорная система человека и животных — это об усилении сигнала, полученного извне, поэтому дизайн среднего уха несет еще один механизм усиления: площадь наружной барабанной перепонки в разы больше площади овального окошечка, и за счет этого звук как бы «туннелируется». В итоге полученные барабанной перепонкой колебания усиливаются в 200 раз!
Овальное окошечко — это тонкая мембрана, через колебание которой звук передается во внутреннее ухо, невероятно сложный и изящный отдел, в котором помимо процесса восприятия звука также расположен вестибулярный аппарат. Работу внутреннего уха можно описывать с бесконечным количеством деталей, но я объясню только самые необходимые для понимания следующих разделов, а также расскажу некоторые увлекательные факты.
Итак, как мы уже сказали, звук — это колебательные волны, сжимающие воздух, то есть механическое явление. Но мозг не умеет воспринимать звук таким, какой он есть, так же как мозг не воспринимает фотоны света, химические молекулы ароматов и давление на кожу. Вообще, все, что может мозг, — это получать и передавать электрические сигналы, почти как по проводам [2]. С таким инструментарием далеко не уедешь, мозгу нужен «переводчик», и в случае слуха эту роль выполняет внутреннее ухо: оно трансформирует энергию механических колебаний в электрический сигнал, понятный мозгу. Теперь прыгаем за мной в кроличью нору и разбираемся, как!
Вся магия происходит в органе под названием «улитка» — неудивительно, что по внешнему виду он напоминает улитку (рис. 3). Косточки среднего уха крепятся к улитке через овальное окошечко и колебание передается дальше, в спиральный лабиринт улитки. Для удобства представьте, что мы размотали панцирь улитки, вытянули его в трубку длиной примерно 30 мм и разрезали поперек. На рисунке 3 справа показан как раз такой срез: внутри лабиринт улитки разделен на три отдела, заполненные жидкостью. Самый главный — средний, где расположены клетки, отвечающие за восприятие и преобразование звука, в то время как боковые отделы чисто механистически поддерживают колебания и сбрасывают давление от звуковых волн через круглое окошечко, тоже закрытое мембраной и выходящее в среднее ухо. Таким образом, звуковые колебания мимолетно входят во внутреннее ухо через овальное окошечко и покидают его через круглое — вот вам и вся гамма окружающих нас звуков.
Рисунок 3. Внутреннее ухо и улитка. Слева показана улитка — структура, находящаяся во внутреннем ухе и преобразующая механические колебания звука в электрический сигнал. Справа показана улитка в поперечном разрезе, с тремя компартментами, главный из которых — средний — несет в себе кортиев орган.
Как внутреннее ухо трансформирует и передает сигнал мозгу
Рисунок 4. Кортиев орган. Слева оранжевым показаны три ряда наружных волосковых клеток, справа — один ряд внутренних волосковых клеток, передающих электрический сигнал, кодирующий звук, нейронам спирального ганглия.
В среднем отделе улитки расположен кортиев орган — так собирательно называют все клетки, расположенные внутри. Нас интересуют только два типа клеток — внутренние и наружные волосковые клетки (на рисунке 4 показаны оранжевым). Внутренние волосковые клетки (рис. 4, справа) — это рецепторы звука, которые как раз и преобразуют механические колебания жидкости в улитке в электрический сигнал. Они называются волосковыми благодаря расположенным на их верхушке волоскам — стереоцилиям, похожими на антенны клетки. В покое клетка спокойно сидит себе в улитке, а при прохождении звуковой волны в жидкости стереоцилии отклоняются, и в их основании механически открываются ионные каналы. Клетка активируется благодаря тому, что ионы калия начинают течь в клетку по градиенту концентрации и делать заряд клетки внутри более положительным. Этот процесс называется деполяризацией и его можно сравнить с током электронов по проводам, только в случае живой клетки ток проводится с помощью ионов калия.
Отступление для биологов, чтобы не бросались в меня камнями
Во-первых, стоит отметить, что волосковые клетки — это преобразованные эпителиальные клетки, а не нейроны, поэтому они не генерируют потенциал действия, а только деполяризуются. Во-вторых, вы могли заметить, что обычно при деполяризации натрий поступает в клетку, а калий выходит из нее, возвращая клетки к состоянию покоя, а здесь все наоборот. Такое исключение во внутреннем ухе сформировалось за счет натрий-калиевой АТФазы, которая отвечает за неравномерное распределение ионов в среднем отделе улитки, делая эндолимфу богатой калием. Во внутреннем ухе нет сосудов, только в подлежащем эпителии (stria vascularis), от них АТФаза и питается, и так сложилось, что тут она качает ионы в противоположном направлении.
Деполяризация распространяется по всей мембране внутренней волосковой клетки сверху вниз и достигает основания клетки, где находятся другие каналы, которые открываются уже в ответ на деполяризацию (они «чувствуют» более положительный заряд клетки изнутри) и теперь в клетку начинает поступать кальций. А если уж в клетке увеличилась концентрация кальция, это верный признак, что полученный сигнал пора передавать дальше по цепочке — следующей клетке. Здесь уже происходит полноценный процесс передачи нервного импульса: волосковая клетка выделяет пузырьки с нейромедиатором, который возбуждает следующую клетку — нейрон спирального ганглия, и сигнал о полученном звуке несется прямо в мозг по слуховому нерву. Подробнее про механизмы становления потенциала покоя и передачу нервного сигнала в обычных нейронах можно почитать на «Биомолекуле» в статье «Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность» [2]. Именно синаптической передачей я занималась в Институте нейробиологии слуха, и этому посвящен второй раздел, а пока — еще немного деталей о слухе!
Как танцующие клетки уха помогают бороться с патологиями слуха
Я упомянула, что главную роль в восприятии и преобразовании звукового сигнала играют внутренние волосковые клетки, расположенные в один ряд, но есть еще наружные волосковые клетки. Их больше, они расположены в три ряда. Что же делают они? Наружные волосковые клетки — настоящие тусовщики, я не шучу! Да, они тоже воспринимают звук по тому же механизму, но практически не посылают его дальше в мозг (мы знаем это, потому что только 5% слухового нерва подходит к ним). Так вот, они звук амплифицируют за счет удивительного белка в мембране под названием «престин» [3]. Когда клетка деполяризуется из-за отклоненных стереоцилий и тока ионов калия, престин «чувствует» изменение потенциала и начинает механически удлиняться и укорачиваться, как бы сокращаясь и раскачивая волосковую клетку, тем самым заставляя ее «танцевать»! Это создает более активный ток жидкости в улитке, который, в свою очередь, более резво раскачивает стереоцилии внутренних волосковых клеток, амплифицируя звук для них. Наружные волосковые клетки «танцуют», даже если их извлечь из улитки и немного простимулировать в чашке Петри — посмотрите, как они пляшут на видео 1!
Видео 1. Танцующие наружные волосковые клетки
Из этого забавного свойства престина в наружных волосковых клетках вытекает еще одно интересное явление со страшным названием — «отоакустическая эмиссия». Не пугайтесь, этот термин всего лишь означает, что наше ухо способно генерировать звуки само по себе, без внешнего стимула! Престин, по неизвестным пока науке причинам, иногда решает посокращаться сам по себе (возможно, из-за нормальных или патологических колебаний потенциала на мембране наружной волосковой клетки — и это не что иное, как генерация звука: не звука в физическом смысле, а звука как нервного импульса — того, что наш мозг воспринимает как звук). В норме этот звук слишком слаб и не слышен, а при патологии может вылиться в состояние под названием «тиннитус», при котором пациент слышит шум или звуки, не вызванные никаким внешним стимулом.
Явление отоакустической эмиссии полезно тем, что позволяет выявлять патологии слуха практически сразу после рождения, когда критический период еще не прошел и глухота поддается лечению. Наружные волосковые клетки можно стимулировать слабым звуком и ждать их ответа, похожего на эхо. Если клетки «ответили» — значит, слуховой аппарат младенца в порядке, а если нет — возможна патология. Такой тест очень прост, дешев и обязателен после рождения ребенка, прибор напоминает небольшой наушник. Явление «говорящего уха» спасает миллионы младенцев по всему миру от вечной тишины.
Как звуки картируются в ухе и мозге
Наконец, помните, в начале я говорила, что скучные герцы нам еще пригодятся? Так вот, когда звук достигает уха в качестве волны, его частота (а значит и высота) еще заложена в физических качествах самой волны. Но когда колебания преобразуются в нервный импульс, это различие стирается, так как нервный импульс идентичен во всех клетках. Как же наш мозг способен различать высоту звуков? Представьте, что улитка, которую мы развернули раньше в длинную трубку — это пианино, и звуки на нем упорядочены. Основание улитки воспринимает высокие звуки, а верхушка — низкие. Чисто биологически это реализуется за счет разных свойств мембраны улитки по ее длине. Основание — более жесткое, и звуку приходится «вкладывать» больше энергии, чтобы его поколебать, поэтому основание воспринимает высокие звуки, а верхушка — более тонкая и легко возбудимая, она чувствительна к низким звукам. Далее разделение разных частот сохраняется и на уровне нерва, который подходит к разным участкам улитки. Какие-то веточки нерва несут в мозг сигналы о звуках низкой частоты с верхушки улитки, а какие-то — высокой, с основания улитки. Этот принцип называется тонотопией, которая отлично показана в видео 2. Таким образом, улитка — это еще и пространственная карта, на которую нанесены разные частоты звуков окружающего нас мира.
Видео 2. Иллюстрация принципа тонотопии во внутреннем ухе
Часть 2. Молекулярная: исследования синаптической передачи
В этой части я расскажу про исследования синаптической передачи во внутреннем ухе — того самого высвобождения пузырьков с нейротрансмиттером из внутренних волосковых клеток для передачи сигнала следующему нейрону. Для этого нам придется спуститься в самые дебри молекулярного мира: процессы, которые я изучала в своем проекте, происходят в нано- и микрометровом пространстве и по времени занимают миллисекунды! Для того чтобы запечатлеть события на таком уровне, ученым приходится использовать целый набор сложных и необычных методов и проявлять фантазию — на методах и целесообразности их использования я и сделаю акцент в этом разделе. Но если молекулярная биология совсем не ваше — смело переходите к последнему разделу про оптогенетические импланты! А для самых любопытных и отважных — оптогенетическая стимуляция, ультрабыстрая заморозка биологических образцов под высоким давлением и электронная томография.
Как классические нейроны общаются друг с другом?
Нейроны в мозге постоянно сообщаются с друг другом путем передачи химических молекул — нейротрансмиттеров. Длинный отросток нейрона, посылающий сигнал, называется аксоном, а отростки, принимающие сигнал — дендритами. Место, где аксон и дендрит подходят друг к другу почти вплотную, называется синапсом. По сути, синапс — это два небольших компартмента, называющиеся соответственно пре- и постсинаптической терминалями, разделенные синаптической щелью размером в 20–30 нанометров (рис. 5). Пресинаптическая терминаль буквально забита небольшими пузырьками — везикулами с нейротрансмиттером (допустим, глутаматом, самым распространенным возбудительным трансмиттером). Когда нервный импульс доходит до пресинаптической терминали, кальций начинает поступать извне в клетку (через потенциал-чувствительные кальциевые каналы). Везикулы с глутаматом «чувствуют» увеличение концентрации кальция, для них это верный сигнал о том, что пора высвобождаться: везикулы сливаются с мембраной, глутамат попадает в синаптическую щель, связывается с рецепторами на постсинаптической мембране дендрита, и нервный импульс передается дальше. Процесс высвобождения везикул из пресинаптической терминали называется экзоцитозом, на «Биомолекуле» про него можно посмотреть комикс [4]!
Рисунок 5. Химический синапс
Так сигнал распространяется по нервной системе (за исключением электрических синапсов, которых в мозге млекопитающих очень мало). Везикулы с глутаматом размером 40–60 нанометров удалось увидеть только с развитием электронной микроскопии — на электронных фотографиях по их присутствию можно надежно различить пре- и постсинаптическую терминали, как показано на рисунке 6 слева. Везикулы расположены повсюду в пресинаптической терминали и на первый взгляд кажутся совершенно неупорядоченными. На самом деле, с развитием более изощренных методов микроскопии и молекулярной биологии обнаружилось, что везикулы бывают разных типов (рисунок 6, справа): менее одного процента «сидит» на мембране и готово к экзоцитозу в любой момент, еще до 10% находятся рядом с мембраной и также могут сливаться с ней, а около 90% пузырьков на самом деле никогда в естественных условиях в мозге не высвобождаются и, более того, связаны друг с другом «липкими» белковыми филаментами [5], [6]. Таковым было и остается представление о классическом синапсе.
Рисунок 6. Синапс и пресинаптическая терминаль. Слева показана электронная микрофотография синапса: пресинаптическая терминаль заполнена синаптическими пузырьками. Справа показана модель пресинаптической терминали с тремя пулами пузырьков: красные находятся на мембране и готовы к высвобождению, зеленые сольются с мембраной при более сильной стимуляции, и голубые — резервный пул — в реальном нейроне скорее всего никогда не будут задействованы в процессе синаптической передачи.
Ленточный синапс, или риббон
Позже, после описания классического синапса, ученые случайно обнаружили в пресинаптической терминали странную структуру, не похожую ни на что [7], [8]: электроннотемная область 200–400 нанометров в диаметре, окруженная по периметру везикулами. Когда они присмотрелись внимательней, то увидели, что некоторые везикулы еще и связаны с ней загадочными нитями-филаментами (рис. 7). Электроннотемной областью в трансмиссионной электронной микроскопии называют любой участок, задерживающий прохождение электронов и часто не опознанный биологически. Вот и про это облако ничего не знали, только подозревали, что в нем собрано большое количество белков. Такую же структуру нашли в фоторецепторах сетчатки, в клетках электрических органов рыб, и во внутренних волосковых клетках улитки. Ее назвали лентой (от англ. ribbon), а сам синапс — ленточным синапсом (ribbon synapse); и уже с девяностых годов появилось множество статей с электронными фотографиями хорошего разрешения, показывающими риббон во всей красе. Но какова функция этого риббона, почему вокруг него толпятся везикулы, что там вообще происходит? Существуют разные гипотезы о функциях риббона: говорят, что он помогает «сконцентрировать» пузырьки у места их экзоцитоза, увеличивает скорость их выделения, работает как конвейер и так далее. Многие вопросы по-прежнему остаются без ответов из-за технической сложности изучения синапса, хотя очевидно, что именно благодаря риббону мы способны воспринимать звук с великолепным временным разрешением [9]. Только сейчас технические возможности стали позволять нам взглянуть на этот процесс в динамике. Именно этим занимается группа Каролины Вихтман из Института нейробиологии слуха в Гёттингене, где я работала два месяца на практике.
Рисунок 7. Риббон. а — Электронная микрофотография риббона. б — Схема внутренней волосковой клетки (inner hair cell, IHC) с риббонами на пресинаптической мембране и дендритами нейронов спирального ганглия (spiral ganglion neuron, SGN), образующими синапсы с волосковой клеткой. в — Схема риббона (голубой) с окружающими его синаптическими везикулами, заякоренными с помощью специальных филаментов (они называются tethers).
Так как процесс синаптической передачи при восприятии звуков похож у всех млекопитающих, в лаборатории его проще всего изучать на мышиных органах слуха. После препарирования кортиев орган мыши хранится какое-то время в питательной среде, и из него можно либо сразу сделать образцы для электронной микроскопии, либо «возбудить» клетки, симулируя нервный импульс и инициируя экзоцитоз синаптических везикул, и уже потом готовить образцы для электронной микроскопии. Так как статических изображений ленточного синапса в научной литературе уже полно (рис. 7), нам было интересно стимулировать экзоцитоз и попробовать запечатлеть ленточный синапс на разных стадиях высвобождения везикул. Так мы надеялись увидеть, что происходит с пулом пузырьков, окружающих сам риббон, что происходит с филаментами, привязывающими пузырьки к риббону, становится ли пузырьков меньше, двигаются ли они к мембране или наоборот. Но тут возникала проблема, которая долго была камнем преткновения исследований всех динамических молекулярных процессов. Дело в том, что экзоцитоз — процесс невероятно быстрый, при стимуляции клеток в чашке Петри все пузырьки выделяются за десятки миллисекунд, а технически даже самые продвинутые методы заморозки образцов (как, например, заморозка под высоким давлением, описанная далее), которые останавливают все молекулярные процессы в клетке, занимают около 500 миллисекунд. Всего полсекунды, но пул синаптических везикул успевает истощиться. Поезд, как говорится, ушел.
От стандартной фиксации образцов к Flash-and-Freeze
Группа ученых из Японии под руководством Шигеки Ватанабэ [11] нашла невероятно изящное решение этой проблемы с использованием оптогенетики, но сначала нам нужно взглянуть на достаточно трудоемкий процесс подготовки кортиева органа к электронной микроскопии (рис. 8). Главная цель, преследуемая при подготовке образцов на протяжении десятков лет, — сохранить структуры тканей и клеток в состоянии, максимально близком к нативному. Это всегда сложная задача, так как стандартные химические агенты, используемые для фиксации ткани (как, например, глутаральдегид) образуют сшивки между белками и могут вносить артефакты. Ученые придумали разные методы заморозки для фиксации образцов, но и тут есть сложности — при заморозке вода в тканях образует кристаллы, которые повреждают молекулярные структуры клетки.
Один из способов обойти образование кристаллов — замораживать ткань при ультранизкой температуре и под огромным давлением. Такой метод называется «заморозка под высоким давлением» (high pressure freezing) и осуществляется в специальной машине, наполненной жидким азотом и генерирующей давление в 1700 бар. Именно в этой машине живой фрагмент ткани превращается в полностью замороженный образец за полсекунды без образования кристаллов — это называется витрификацией. Потом этот образец можно хранить в жидком азоте либо подвергнуть процедуре под названием «замораживание-замещение» (freeze substitution). Цель последнего — заменить всю воду в образце сначала органическими растворителями, а потом смолой, которая впоследствии застынет и сделает образец похожим на насекомое, заключенное в янтарь.
Рисунок 8. Схема эксперимента. Кортиев орган стимулируется лазером, через 10–15 миллисекунд (в зависимости от протокола) происходит витрификация образца в системе для заморозки под высоким давлением (high-pressure freezing). Затем витрифицированная вода заменяется органическими растворителями и далее смолой в процессе замораживания-замещения (freeze substitution). После окраски, контрастирования и подготовки срезов толщиной 200 микрометров образцы готовы к электронной томографии.
Ritu Chakrabarti, Gerhard Hoch, Kai Bodensiek (рисунок с модификациями)
Я не буду подробно описывать все этапы замораживания-замещения, но полезно знать, что для этой процедуры тоже требуется специальная машина, которая контролирует температуру. А именно медленное ее поднятие с −90 °C до +4 °C позволяет органическому растворителю (в данном случае мы использовали ацетон) начать пропитывать образец. Весь процесс последовательного замещения воды растворителем и смолой занимает неделю. В растворитель также добавляют тетраоксид осмия — краситель, который позволяет сделать структуры клетки контрастными. В противном случае ткань на электронном микроскопе выглядит практически прозрачной. Из-за использования тетраоксида осмия весь процесс проводится в специальном помещении, в полном обмундировании и невероятно аккуратно. После замещения воды образцы помещают в эпоксидную смолу, которая полимеризуется при 70 °C и позволяет нарезать ткань на срезы толщиной 200 микрометров. Эти срезы подкрашивают менее токсичными соединениями типа ацетата уранила и монтируют на медные решетки для электронной микроскопии. Дальше остается только положить их в микроскоп, но давайте вернемся к проблеме времени при заморозке образцов.
Оптогенетика приходит на помощь
Итак, экзоцитоз происходит за 15–20 миллисекунд, заморозка образца занимает 500 миллисекунд. Что придумали японские ученые? Они решили стимулировать образец попозже, когда он уже находится внутри машины для заморозки под высоким давлением. Но как это возможно внутри огромного и сложного прибора, если классически экзоцитоз стимулируют при помощи электрода? Тут на помощь приходит оптогенетика — совершенно чудесная вещь, про которую сказано уже много [12], [13]. Вкратце, чтобы клетка возбудилась, у нее должны открыться ионные каналы, пропускающие ионы калия и натрия и в норме открывающиеся при деполяризации клетки. Но ученые открыли тип ионного канала у бактерий, который открывается, если на него посветить светом определенной длины волны (чаще всего используется голубой). Потом этот канал, под названием «каналородопсин», научились при помощи генной инженерии встраивать в мембрану нейронов млекопитающих (похожие рецепторы — родопсины — можно найти в фоторецепторах сетчатки; про них писала «Биомолекула» [14]). Существуют даже специальные линии мышей, у которых нейроны возбуждаются и проводят нервный импульс, если на них посветить голубым лазером! Вот группа Шигеки Ватанабэ [11] и догадалась встроить внутрь машины для заморозки голубой лазер и использовать модифицированную линию мышей для стимуляции экзоцитоза. Методику назвали Flash-and-Freeze, и работает она следующим образом.
Образец отправляется внутрь машины для заморозки и «ждет» там своего часа, пока прибор набирает в резервуар жидкий азот и надстраивает необходимое давление. В сам прибор помимо голубого лазера встроен акселерометр, по показаниям которого можно судить о внутренних этапах работы машины и поймать момент, когда азот на месте, давление в норме и до заморозки осталось, скажем, 100 миллисекунд. Так, мы можем включить лазер за 50 миллисекунд до заморозки и стимулировать ткань на протяжении 10 миллисекунд — тогда между стимуляцией и заморозкой образца пройдет всего 40 миллисекунд. Можно придумывать бесконечное количество протоколов стимуляции, но Flash-and-Freeze позволяет добиться невероятного временнóго разрешения!
Трехмерная микроскопия — электронная томография
Далее, после замещения воды смолой, окраски и нарезания, срезы толщиной 200 микрометров наконец готовы к электронной микроскопии. Тут эксперты в микроскопии могут заметить, что для электронного микроскопа такие срезы, скажем так, толстоваты. А все дело в том, что мы используем не просто трансмиссионную электронную микроскопию, а электронную томографию [15]. Разница в том, что внутри микроскопа решеточка с образцом может наклоняться под разными углами, и микроскоп делает не одну фотографию, а сотни. Как показано на рисунке 9, микроскоп наклоняет образец на 60 градусов в обе стороны и делает снимок с разницей в градус. После этого с помощью специальных программ все снимки можно спроецировать друг на друга и восстановить трехмерное изображение риббона и окружающих его везикул.
Рисунок 9. Принцип электронной томографии. Образец в электронном микроскопе наклоняется под разными углами, и с каждый наклоном на один градус делается электронная микрофотография. Затем иллюстрации проецируются друг на друга и реконструируются в трехмерное изображение.
Но и на этом еще не все. В научном мире одними картинками и красивым видео никого не удивишь. Поэтому от трехмерной томограммы мы переходим к модели синапса: в специальных программах мы можем полуавтоматически восстановить интересующие нас элементы — в нашем случае это пресинаптическая мембрана, сам риббон и окружающие его везикулы (как показано на рисунке 10). Используя большое количество томограмм, можно классифицировать везикулы, посчитать, сколько пузырьков принадлежит к каждой категории с разными протоколами стимуляции, и, подобно следователю, попытаться восстановить сцену происходящего в этом загадочном ленточном синапсе. Так, нам удается опровергнуть некоторые гипотезы о механике экзоцитоза в ленточном синапсе и по шагам определить ход развития событий.
Рисунок 10. Модель риббона и пресинаптической мембраны, реконструированная с помощью электронной томографии. Красный — риббон; синий — пресинаптическая мембрана; зеленые везикулы — пул риббон-ассоциированных пузырьков (темно-зеленые заякорены к риббону); оранжевые и желтые везикулы — пул, ассоциированный с мембраной. Слева показана модель риббона в состоянии покоя, справа — после оптогенетической стимуляции. Видно, что почти все везикулы из пула, ассоциированного с мембраной, высвободились, однако чтобы сделать достоверные научные выводы, необходим количественный анализ везикул из разных пулов и статистика.
Рисунок 11. Предложенная модель транспорта синаптических везикул вокруг риббона, основанная на методах, описанных выше. Объяснения модели смотрите в тексте.
Модель экзоцитоза, предложенная на основании описанных выше методов, изображена на рисунке 11. Везикулы, расположенные вокруг риббона, заякорены филаментами (1), причем после стимуляции количество филаментов на одну везикулу увеличивается. Вероятно, с помощью заякоривания везикулы перемещаются из риббон-ассоциированного пула ближе к пресинаптической мембране (2) и закрепляются на ней сначала одним филаментом (3), а затем многими (4). Уже находясь в пуле, ассоциированном с мембраной, везикулы «стыкуются» с мембраной (5; по-английски этот процесс называется docking) и сливаются (fusion) с ней при стимуляции клетки, высвобождая нейромедиатор в синаптическую щель (6) [16].
Распутать эту хитрую динамику помогают также новейшие методы микроскопии сверхвысокого разрешения, например, STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) и STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy — микроскопия на основе подавления спонтанного испускания) [17], [18], которые тоже используются в нашей лаборатории. Такие исследования помогают перебросить мостик от простого (хоть и очень непростого технически) описания структурного устройства синаптической передачи к ее функциональному значению. В исследованиях слуха это особенно важно: ведь передача звука закодирована необычайно сложно, и именно такой особенный ленточный синапс, судя по всему, позволяет нам воспринимать звуки с необычайно высоким частотным и временным разрешением. Нарушения же слуха зачастую лежат в нарушении синаптической передачи и называются синаптопатиями — о них пойдет речь в последнем разделе. Одним словом, чтобы научиться эффективно лечить глухоту, полезно понимать, каким образом механизмы синаптической передачи обеспечивают восприятие звука.
Кстати, возможно, вы задалиcь вопросом, а что же представляет собой сам риббон? Более точного ответа, чем «набор разнообразных белков», не существует по сей день. Ученым удалось идентифицировать некоторые белки в его составе. Некоторые из них уникальные, другие — нет. Но мы так и не знаем, как эта структура появилась и какую точно функцию выполняет. Однако у мышей-мутантов с риббоном, плавающим посередине клетки (не заякоренном на мембране), слух утерян, следовательно, риббон просто необходим для нормального развития и поддержания слуха [19].
Часть 3. Клиническая: как вернуть слух при помощи света
В этой части я расскажу, как фундаментальные исследования молекулярного устройства уха, а также их совмещение с новейшими биотехнологическими разработками помогают бороться с патологиями слуха. Сначала мы совсем коротко обсудим разные уровни, на которых слух может повреждаться, а также насколько легко каждый из них поддается коррекции. Затем мы бегло взглянем на устройство кохлеарного импланта, чтобы в конце концов перейти к описанию оптогенетического импланта, разрабатываемого группой Тобиаса Мозера в Институте нейробиологии слуха в Гёттингене.
Нарушения слуха на разных уровнях
Ухо — очень сложная система, где много чего может пойти не так, и тяжесть нарушений часто зависит от уровня, на котором они происходят. Самый «простой» уровень, который современная медицина освоила достаточно хорошо, — это патологии наружного и среднего уха. Такие патологии называются кондуктивными и включают нарушения проведения звука через наружное и среднее ухо. К этой категории относятся, например, повреждение ушной раковины, иногда требующее хирургического вмешательства, или ушная пробка, часто возникающая у детей и вызывающая тугоухость.
Следующий, более «глубинный» уровень патологий возникает на уровне внутреннего уха и называется нейросенсорным. Сюда включают патологии улитки, в частности гибель внутренних волосковых клеток, ведущую к частичной или полной глухоте. Патологии могут затрагивать нейроны спирального ганглия, и часто потеря волосковых клеток ведет к атрофии слухового нерва. Такие нарушения лечить уже гораздо сложнее, и именно на этот уровень нацелены слуховые аппараты и кохлеарные импланты, описанные в следующем разделе.
Еще один уровень нарушений слуха, который слабо поддается нашему пониманию и еще меньше — вмешательству, — это обработка звука в слуховой коре, в высших отделах головного мозга. В этом случае восприятие звука в физическом смысле может быть совершенно нормальным, но при этом понимание речи — нарушенным. Сюда можно отнести сенсорную афазию — нарушение в зоне Вернике слуховой коры, при которой пациент нормально воспринимает звук на уровне уха, но не может расшифровать услышанного. Для лечения таких патологий ученым требуется детальное понимание того, как кора головного мозга кодирует и хранит информацию, но для этого понадобятся еще годы исследований.
Старая эра: кохлеарный имплант
На сегодняшний день кохлеарный имплант является самым успешным примером нейропротезирования — им уже пользуются более 300 000 человек по всему миру. Следует подчеркнуть отличие кохлеарного импланта от слухового аппарата: последний является неинвазивным прибором и, по сути, просто усиливает звук, который далее улавливается внутренними волосковыми клетками, даже если их количество уменьшено, и передается нейрону спирального ганглия. Кохлеарный имплант позволяет исправить патологии слуха даже в том случае, если волосковые клетки повреждены, но сам нерв еще не атрофировался [20]. Звуки улавливаются микрофоном, расположенным снаружи, на коже или волосах, и при помощи речевого процессора преобразуются в электрический сигнал. Далее электрический сигнал передается на очень тонкий провод, протянутый спирально по всей длине улитки (поэтому имплант и называется кохлеарным) и способный стимулировать нейроны спирального ганглия напрямую, в обход волосковых клеток. Помните, в конце первого раздела мы упоминали тонотопию — кодирование определенных звуковых частот разными участками улитки? Имплант использует тот же принцип, и после преобразования звука стимулирует именно ту часть слухового нерва улитки, которая кодирует специфическую частоту звука.
На этом этапе и выплывают главные ограничения кохлеарного импланта. Хорошо известно, что люди, носящие имплант, могут без труда различать отчетливую разговорную речь, но восприятие речи в шумной среде, так же как восприятие музыки и звучания музыкальных инструментов для них остается недоступным. Во-первых, это определяется низким пространственным разрешением кохлеарного импланта: обычно по длине улитки стимуляция осуществляется только в 10–20 точках (рис. 12а), а электрический сигнал помимо этого имеет свойство «переливаться» через край, то есть стимулировать не только нейроны, воспринимающие определенную частоту звука, но и их соседей. Во-вторых, звук имеет сложную временнýю организацию, и ее передача при помощи электрического импланта очень ограничена. В-третьих, кохлеарный имплант плохо справляется с кодированием интенсивности звука: динамический диапазон электродов ограничен десятью децибелами [21].
Чтобы вернуть пациентам способность наслаждаться сонатами Баха или трясти головой в такт Led Zeppelin, необходимо найти способы увеличения каналов стимуляции слухового нерва для лучшего пространственного разрешения и улучшить временнýю динамику передаваемого звука. Именно тут на помощь ученым неожиданно приходит свет.
Новая эра: оптогенетический имплант
Итак, давайте будем считать, что основной проблемой электрического кохлеарного импланта является низкое пространственное разрешение, вызванное тем фактом, что в улитку возможно вместить только 10–20 сайтов электрической стимуляции (рис. 12а). Таким образом, ученым необходимо придумать, как увеличить количество таких мест стимуляции слухового нерва. В Институте нейробиологии слуха в Гёттингене решили отказаться от идеи электрической стимуляции и вместо этого использовали оптогенетику: стимуляцию нейронов спирального ганглия светом. Мы уже упоминали принцип работы оптогенетики ранее в этой статье. Чтобы заставить нейроны спирального ганглия «слышать» свет, в них необходимо встроить специальный ионный канал — каналородопсин, который открывается, пропускает ионы в клетку и таким образом вызывает возбуждение в нейроне при освещении его светом. Несколько лет назад эта идея выглядела достаточно безумной, потому что она требует генетической модификации клеток внутреннего уха человека — процедуры, балансирующей на лезвии этических вопросов биологии. Но к 2015 году Управление США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) уже одобрило [21] более 50 клинических испытаний, включающих модификацию человеческих клеток при помощи аденоассоциированных вирусов.
Главное условие работы такого импланта — сохранность слухового нерва. После модификации нейронов спирального ганглия они приобретают способность возбуждаться и проводить нервный сигнал далее в мозг при их освещении голубым светом. Для этого в улитку вводится длинный и очень тонкий светодиод, по сути похожий на электрод в электрическом импланте, но излучающий голубой сфокусированный свет вместо электрического сигнала. За счет того что свет может быть хорошо «прицелен», количество каналов оптогенетической стимуляции может быть увеличено в несколько раз — до сотни, с меньшим эффектом «переливания» между разными каналами (рис. 12б).
Рисунок 12а. Электрический кохлеарный имплант с 10–20 сайтами стимуляции, которые, кроме того, имеют тенденцию возбуждать соседние сайты