Кохлеарные импланты (КИ) представляют собой биомедицинские электронные устройства, обеспечивающие преобразование звуков в электрические импульсы с целью создания слухового ощущения путем непосредственной стимуляции сохранившихся волокон слухового нерва (СН).

Исследования в области электрической стимуляции (ЭС) слуховой системы насчитывают многие десятилетия, однако лишь в течение последних 30 лет были разработаны имплантируемые устройства, предназначенные для длительной ЭС у человека.

С внедрением метода кохлеарной имплантации в корне изменились подходы к лечению сенсоневральной глухоты. Менее чем за четыре десятилетия КИ прошли путь от первых попыток прямой ЭС СН до коммерческих устройств, обеспечивающих восстановление слуха сотням тысяч пациентов. Некоторые аспекты в истории кохлеарной имплантации могут быть отнесены к развитию и других нейропротезов. Прежде всего, это относится к междисциплинарному подходу в развитии кохлеарной имплантации. Значительный вклад в решение проблемы был внесен инженерами, отологами, аудиологами, нейрофизиологами, психоакустиками и представителями индустрии. Не всегда взаимодействие между этими специалистами было гармоничным, однако в спорах и соперничестве рождалась истина. Безусловное значение для прогресса в кохлеарной имплантации имела готовность нескольких клиницистов с риском для своей репутации выступить против существующих в то время научных догм во имя прогресса в области лечения больных с тугоухостью и глухотой. И, наконец, успеху способствовали и сами пациенты, готовые принять участие в экспериментальных операциях.

При повреждении волосковых клеток, которое имеет место при сенсоневральной глухоте, периферическая часть нейронов между телом клетки в спиральном ганглии и терминалями в органе Корти претерпевает ретроградную регенерацию [1]. Однако даже при длительной глухоте часть этих клеток не повреждается. И эти клетки, а вернее, перехваты Ранвье, расположенные дистальнее или проксимальнее от них, являются предполагаемыми точками ЭС, осуществляемой КИ. В некоторых случаях сохраняются и периферические отростки, и тогда возбуждение происходит более периферически.

Прямая ЭС сохранных элементов СН осуществляется подачей электрических импульсов через электроды (Эл), расположенные в барабанной лестнице. Различные Эл стимулируют различные субпопуляции нейронов. Пространственная специфичность стимуляции зависит от ряда факторов, в том числе от геометрического расположения Эл, приближения их к нервной структуре, подлежащей стимуляции, и от состояния имплантированной улитки (сохранных нервных элементов, оссификации, фиброзной ткани вокруг Эл). Основной задачей разработки систем кохлеарной имплантации является увеличение количества неперекрываемых популяций нейронов, стимулируемых электродной решеткой. Это может быть достигнуто разработкой новых электродных систем или новых видов и мод стимуляции. Особого внимания заслуживает оптическая (вместо электрической) стимуляция нейронов [2].

Одной из нерешенных проблем кохлеарной имплантации является высокая вариабельность результатов, особенно при предъявлении сложных тестов. В основе этой вариабельности прежде всего лежат различия в функции слуховой коры и структур слухового проводящего пути [3—11]. Как правило, больные с незначительной длительностью глухоты до имплантации достигают лучших результатов, чем больные с большей длительностью глухоты [12—14]. Это может быть результатом депривации, которая оказывает отрицательное воздействие на связи между нейронами в центральной слуховой системе [15] и может способствовать вовлечению других сенсорных входов к корковым структурам, относящихся в норме к обработке слуховой информации (например, кроссмодальной пластичности [3, 16]). И хотя можно предположить, что различия в числе сохранных периферических нервных элементов могут лежать в основе отмеченной вариабельности результатов, в постмортальных гистологических исследованиях были продемонстрированы как отрицательная корреляция между количеством сохранных ганглионарных клеток и разборчивостью, определенной при жизни при проведении речевых тестов, так и отсутствие связи между ними [17—20]. Показано, что для функционирования КИ, по крайней мере для первых поколений имплантов и стратегий кодирования, используемых пациентом в ежедневных ситуациях, необходимо незначительное количество ганглионарных клеток. Над этим предполагаемым уровнем мозг «хороших» пациентов может осваивать вход даже от незначительного количества ганглионарных клеток и передавать его к вышележащим структурам. Современные и перспективные системы кохлеарной имплантации и стратегии кодирования в то же время предполагают необходимость наличия большего количества сохранных нервных клеток для получения оптимальных результатов. В качестве примера можно привести стратегию HiRes 120, использующую множество отдельных Эл и виртуальных точек стимуляции вдоль длинника улитки [21], что определяет необходимость функциональной сохранности максимального количества нервных элементов. Однако зависимость типа КИ и стратегии кодирования от наличия сохранных нервных структур требует дальнейшего подтверждения.

Считается, что для освоения мозгом входящих сигналов и хорошей разборчивости КИ должен обеспечивать выход на некотором надпороговом уровне, что не могло быть реализовано при использовании одноканальных имплантов и старых стратегий кодирования. Комбинация множества точек стимуляции в улитке (минимум 6—8) в новых стратегиях кодирования, таких как CIS, HiRes, n-of-m и ACE, и минимального количества сохранных нервных элементов является достаточной для обеспечения успешной компенсации утраченной функции у некоторых пациентов. Предполагается, что у этих пациентов сохранна слуховая кора, которая может осваивать нерегулярные и нарушенные входы по сравнению с входами, поступающими в мозг от нормальной улитки. У других пациентов отсутствует эффект в результате нарушения нормальной обработки информации на уровнях, расположенных центральнее от СН, что связывается с длительной депривацией. Следует также отметить, что мозг ребенка становится менее пластичным или адаптивным к новому слуховому входу в возрасте 3—4 лет. Этим объясняются лучшие результаты у детей, перенесших кохлеарную имплантацию в возрасте 1—2 лет по сравнению с результатами, полученными у детей, прооперированных в возрасте 5 лет и старше [3, 5, 22]. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что нарушение функций мозга, в том числе повреждение слухового проводящего пути в стволе мозга или нарушение функции в корковых областях, относящихся в норме к обработке слуховой информации, или нарушение пластичности коры или кроссмодальной пластичности, могут оказывать крайне отрицательное влияние на результаты кохлеарной имплантации.

На эффективность кохлеарной имплантации могут оказывать влияние и другие факторы. Как было отмечено выше, системы КИ и стратегии кодирования должны обеспечивать достаточную информацию, которая будет использована интактным мозгом. Эффективность может быть повышена и при использовании различных подходов на уровне периферии. В частности, показано улучшение разборчивости речи при бинауральной имплантации и электроакустической стимуляции. Однако следует помнить и о роли центральных отделов слуховой системы, нарушение функции которых может лимитировать результаты современных методов периферической стимуляции.

Современный дизайн и расположение Эл предположительно обеспечивают не более 4—8 эффективных областей стимуляции или эффективных/функциональных каналов. В современных КИ используются от 12 до 22 каналов, что превышает количество эффективных каналов (или точек стимуляции). Количество эффективных каналов меняется в зависимости от пациента и методики речевых тестов. Так например, повышение разборчивости с увеличением количества активных каналов обычно достигает плато при меньшем количестве каналов при определении согласных, чем при определении гласных. Это можно объяснить тем, что согласные могут идентифицироваться на основании комбинации временных и спектральных характеристик, в то время как гласные идентифицируются исключительно по спектральным характеристикам, что подразумевает использование независимых точек стимуляции. Пациенты с плохой разборчивостью речи обычно используют не более четырех эффективных каналов при проведении любых тестов, в то время как пациенты с хорошей разборчивостью имеют восемь и более каналов, в зависимости от теста [23, 24]. L. Friesen и соавт. [23] определили, что распознавание гласных у лиц с нормальным слухом продолжает улучшаться с добавлением дополнительных каналов акустической стимуляции до 20 при предъявлении гласных в тишине и при ухудшающемся соотношении сигнал/шум до +5 дБ и выше.

С другой стороны, количество независимых фильтров при нормальном слухе для частотного диапазона от 50 Г.до 15 кГц достигает 39 и не превышает 28 для диапазона, перекрываемого речевыми сигналами [25, 26]. Отмеченное число каналов существенно больше, чем количество эффективных каналов, используемых в современных К.И. Считается, что повышение эффективности кохлеарной имплантации может быть достигнуто при увеличении количества эффективных точек стимуляции, что, как предполагается, будет способствовать сокращению разрыва между восприятием у имплантированных пациентов и лиц с нормальным слухом. Этот разрыв особенно выражен у пациентов, имеющих не более 4 эффективных каналов стимуляции при всех видах исследований. Достаточно правдоподобным выглядит объяснение ограничения эффективных каналов в системах кохлеарной имплантации тем, что электрические поля от различных внутриулитковых Эл перекрывают друг друга в точках нервного возбуждения [24, 27]. Подобное перекрывание (или межэлектродное взаимодействие) может ограничивать количество Эл, достаточно независимых для передачи перцептивно разделенных информационных каналов.

Проблема, связанная с расположением Эл в барабанной лестнице улитки, связана с тем, что Эл достаточно удалены от места стимуляции (как правило, клеток спирального ганглия) даже при перимодиолярном расположении. Максимальное приближение нервных элементов к Эл необходимо для повышения пространственной специфичности стимуляции [28]. Одной из возможностей приближения к точке стимуляции является стимуляция роста аксональных отростков нейронов спирального ганглия по направлению к Эл при контролируемом введении нейротрофинов в перилимфу [21, 29—33]. Другой перспективной возможностью является имлантация Эл непосредственно в СН (внутримодиолярный имплант) через основной завиток улитки [33—38]. Было показано, что при использовании внутримодиолярного Эл количество независимых точек стимуляции может быть значительно больше, чем при использовании Эл, расположенных в барабанной лестнице [35, 38]. Однако для разрешения к применению и внедрения внутримодиолярного Эл и применения нейротрофинов с целью стимуляции роста аксональных отростков нейронов спирального ганглия необходимо проведение дополнительных исследований.

Как правило, имплантированные пациенты могут воспринимать большое количество точек стимуляции. Так, некоторые пациенты могут различать 22 Эл (импланты компании Cochlear), а некоторые различают намного больше точек при использовании виртуальных каналов стимуляции. Однако следует отметить, что ни один из обследованных до настоящего времени пациентов не имел более восьми эффективных каналов при быстрой последовательной стимуляции Эл в реальном времени. Механизмы, лежащие в основе отмеченного противоречия в количестве различимых точек стимуляции и количестве эффективных каналов, требуют дальнейшего уточнения. Возможно, эти механизмы связаны с маскировкой, временной интеграцией или рефрактерными эффектами, продуцируемыми как на периферии, так и центрально при подаче стимулов в быстрой последовательности между Эл, но не изолированно, как в психофизических исследованиях. Уточнение этих механизмов позволит предписывать паттерн стимуляции, максимально приближающий количество эффективных каналов и количество определяемых точек стимуляции. И, безусловно, это будет иметь большее значение, чем увеличение количества определяемых точек стимуляции, что не гарантирует увеличения числа эффективных каналов.

Исходя из того, что пациенты, использующие КИ, гетерогенны, «оптимальная» карта программирования отличается у каждого из пациентов по скорости предъявления стимулов, количеству максимумов, количеству каналов, входному усилению, компрессии. Основной вопрос — каким образом должна быть определена «оптимальная» карта программирования — требует проведения дополнительных исследований.

Сегодня можно говорить о двух наиболее важных достижениях последних лет, которые позволили значительно повысить эффективность кохлеарной имплантации. Это — бинауральная имплантация, обеспечивающая стимуляцию обоих СН, и комбинированная электроакустическая стимуляция, использующая две моды стимуляции — акустическую и электрическую у пациентов с остаточным слухом на низких частотах. Двусторонняя Э.С. может восстанавливать, по крайней мере, в некоторой степени межушные различия в амплитуде и времени, позволяющие лицам с нормальным слухом латерализовать звуки в горизонтальной плоскости и избирательно выделять источники звука (голоса) из многих источников различной локализации. Кроме того, одновременная билатеральная стимуляция позволяет исключить эффект тени головы. В этих случаях роль величины отношения сигнал/шум при множестве источников звука более выражена для одного уха, что позволяет использовать именно его для определения того или иного источника.

Комбинированная ЭС позволяет сохранить низкочастотный слух и обеспечить хорошую частотную избирательность и другие характеристики нормального слуха, обеспечивая дополнительно представительство высоких частот при ЭС высокочастотных областей. С целью сохранения низкочастотного слуха при кохлеарной имплантации были разработаны различные хирургические и терапевтические подходы [21], предусматривающие введение укороченных электродных решеток (6, 10, 16 или 20 мм) с целью предотвращения повреждения апикальных отделов улитки и сохранных волосковых клеток в этой области. Показано, что как бинауральная имплантация, так и электроакустическая стимуляция оказали существенное влияние на улучшение разборчивости речи у имплантированных пациентов. Так, бинауральная стимуляция может обеспечивать значительное улучшение при восприятии сложного материала, например односложных слов, и выделении речи, предъявляемой с конкурирующим шумом [39—44]. Комбинированная электроакустическая стимуляция также существенно улучшает восприятие речи в тишине и шуме при разговоре с несколькими собеседниками по сравнению только с ЭС или только с акустической стимуляцией [45—57], что рассматривается как синергический эффект. Следует также отметить и улучшение восприятия музыки и распознавания мелодий при электроакустической стимуляции, по сравнению с изолированной ЭС [53, 54, 58, 59]. При симметричном снижении слуха эффективность комбинированной электроакустической стимуляции обеспечивается при подаче акустической стимуляции как в имплантированное, так и в контралатеральное ухо (или в оба уха).

Отмеченная эффективность бинауральной ЭС наиболее вероятно обусловлена частичным или полным восстановлением бинауральных различий и эффектом тени головы. Принципиальным же преимуществом комбинированной ЭС перед изолированной электрической является то, что тонкая структура информации подается без изменений в низкочастотном диапазоне, что способствует ее эффективному восприятию, по крайней мере пациентами с хорошим эффектом имплантации.

За последние годы достигнут значительный прогресс в области разработки новых систем кохлеарной имплантации и повышении ее эффективности. В то же время остается еще много нерешенных вопросов и много новых возможностей. Эффекты, наблюдаемые у пациентов с оптимальными результатами кохлеарной имплантации, все еще не сравнимы с результатами, определяемыми у нормально слышащих лиц.

Сегодня можно отметить следующие перспективные направления дальнейших исследований и разработок:

— новый дизайн или расположение электродной решетки, максимально приближающие Эл к месту стимуляции, что в свою очередь предполагает нейронную протекцию и/или замену нейронов;

— исследования, направленные на стимуляцию роста аксональных отростков нейронов спирального ганглия с целью прорастания их в расположенные в барабанной лестнице Эл;

— разработка новых мод стимуляции, обеспечивающих точный пространственный контроль точек стимуляции, таких как оптическая стимуляция;

— изучение механизмов, лежащих в основе очевидных противоречий в количестве точек стимуляции, которые могут определять пациенты при изолированной стимуляции, и количестве эффективных каналов, обеспечиваемых речевым процессором в реальном времени, с целью исключения этих противоречий;

— разработки, направленные на расширение показаний для электроакустической стимуляции, в том числе с использованием акустической стимуляции уха, контралатерального уху с полным введением электродной решетки;

— уточнение и оптимизация стратегий кодирования и других аспектов бинауральной имплантации и электроакустической стимуляции, все еще находящихся на начальных стадиях;

— дальнейшая разработка хирургических подходов и медикаментозной стимуляции с целью сохранения остаточного слуха во время и после имплантации;

— дальнейшая разработка параметров ЭС и медикаментозной терапии с целью сохранения нейронов спирального ганглия и других нервных структур;

— дальнейшая разработка стратегий, обеспечивающих приближение к сложным и взаимодействующим процессам обработки информации, происходящим в нормальной улитке.

Особого внимания заслуживают также генетические исследования, предусматривающие разработку методов генной терапии, заключающейся в искусственной экспрессии РНК. Изучены гены, вовлеченные в процесс дифференциации волосковых клеток, что позволило идентифицировать факторы, контролирующие экспрессию генов в эти клетки, и адаптировать их для генной терапии волосковых клеток. Уже сегодня генные промоутеры внедрены в вирусный вектор с целью последующей генной терапии.

Каждый из отмеченных выше подходов предусматривает улучшение представительства на периферии. Однако следует помнить о возможных нарушениях на уровне слуховой коры, отмеченных выше. В этих случаях для разработки новых имплантов должен рассматриваться когнитивный подход («сверху вниз») как более эффективный по сравнению с традиционным («снизу вверх» — от периферии к коре). При этом основным вопросом, требующим ответа, является определение информации, необходимой в качестве входа для нарушенной корковой функции с целью обеспечения оптимального результата.

Одним из подходов, который, по крайней мере в некоторой степени, может помочь практически всем пациентам, является направленная тренировка, способствующая и облегчающая реализацию требуемых пластических изменений в функциях мозга (или перенастройку их с целью облегчения выполнения мозгом задач по обработке входов, обеспечиваемых КИ и поступающих от периферии). Подобная тренировка может уменьшить время, необходимое для достижения желаемых результатов. Идеальная методика тренировки для маленьких детей отличается от методик, используемых у старших детей, что обусловлено различиями в пластичности мозга. Исходя из этого, оптимальный результат может быть получен при учете возрастных различий в пластичности.

Мозг является одним из основных и наиболее критичных звеньев системы. У пациентов с полноценно сохранными функциями мозга предпочтительным для разработки КИ является подход, предусматривающий максимальное приближение к нормальным характеристикам разрядов на периферии, обеспечивающим входы, «ожидаемые» мозгом, который сконфигурирован для их восприятия и обработки. Для пациентов с нарушением функций мозга данный подход не может быть оптимальным. Оптимальные результаты у этих пациентов могут быть получены при использовании подхода, предусматривающего сохранные возможности слуховой коры конкретного пациента к переработке поступающей периферической информации. В частности, данный подход в сочетании технологиями уменьшения межэлектродного взаимодействия на уровне периферии может обеспечить оптимальную эффективность у больных с относительно плохими результатами.

Исходя из вышеизложенного можно заключить, что кохлеарная имплантация имеет прекрасные перспективы.