Результаты кохлеарной имплантации: почему такие разные?

Существует множество вопросов о результатах кохлеарной имплантации. Почему один ребёнок начинает быстро говорить, а другой - может молчать несколько лет, или хуже говорить при прочих равных условиях?
В Варезе на конференции EURO-CIU мы познакомились с хирургом, профессором Жераром О'Донохью. Он представил интереснейший доклад, который мы договорились перевести. В нем - ответы на эти вопросы, основанные на последних исследованиях в области нейрофизиологии.
За перевод мы хотим поблагодарить Инну Александровну Чистович, кандидата биологических наук.

Использование данного материала возможно только с письменного разрешения "Я тебя слышу".

Оригинал статьи опубликован на сайте www.thelancet.com/neurology, ссылка - http://www.thelancet.com/…/PIIS1474-4422(16)00034-X/abstract

Нейрокогнитивные факторы в сенсорном восстановлении при ранней глухоте: коннектомная модель.
A.Kral, W.G.Kronenberger, D.B.Pisoni, G.M.O'Donoghue

(Обзор статей 2011-2015г.г. Местами перевод, местами пересказ И.Чистович)

Прогресс в биомедицинских технологиях (кохлеарные, вестибулярные, ретинальные импланты) привел к замечательным успехам в восстановлении нейросенсорных функций, в особенности в слуховой системе. Однако результаты сильно варьируют, даже при учете сопутствующих заболеваний, - например, после кохлеарной имплантации у некоторых глухих детей развивается речь, сравнимая с их слышащими сверстниками, а у других — нет. В этой статье обсуждаются данные, свидетельствующие о том, что слуховая депривация влияет на развитие мозга, причем это влияние затрагивает не только обработку информации в слуховой системе. После сенсорного нарушения, в т.ч. после потери слуха, меняются нейронные связи внутри слуховой системы, между сенсорными системами, а также между слуховой системой и центрами, обеспечивающими нейрокогнитивные функции высшего порядка. Поэтому сенсорные нарушения можно рассматривать как коннектомное заболевание (нарушение нейронных связей); в таком случае индивидуальные особенности адаптации мозга к сенсорным нарушениям будут в значительной степени определять наблюдаемый разброс результатов кохлеарной имплантации. В особой зоне риска у глухих детей находятся различные исполнительные функции, последовательная обработка информации и формирование понятий. Соответствующий набор клинических тестов позволит рано определить нейрокогнитивные факторы риска. Индивидуализированные стратегии вмешательства, учитывающие выявленные различия, позволят улучшить результаты.

Введение

Сенсорные системы позволяют нам взаимодействовать со средой. Получение сенсорной информации зависит от целостности специальных рецепторных клеток, которые преобразуют внешний сигнал и передают его для обработки в мозг. С возрастом количество сенсорных нарушений резко растет. По оценке ВОЗ около 360 миллионов людей в мире страдают от серьезных нарушений слуха. Кохлеарные импланты позволяют частично восстановить слух, даже когда рецепторные клетки полностью потеряны. Разработаны также многообещающие ретинальные и вестибулярные импланты, но они пока не применяются с таким же успехом, как кохлеарные. 
Сенсорные нарушения не только часто сопровождают другие неврологические заболевания, но и сами приводят к когнитивным нарушениям. Из-за высокой эффективности кохлеарной имплантации слуховая система оказалась удобной моделью, на которой можно исследовать влияние потери и восстановления сенсорных функций на нейрокогнитивные процессы. Поэтому данный обзор построен на данных по глухим детям.
Восстановление (хотя и неполное) сенсорной функции с помощью протеза позволяет развиться непосредственно зависящим от этой фунции когнитивным способностям — так, рано протезированные глухие дети обычно учатся говорить. Меньше внимания уделяется влиянию потери слуха на не связанные непосредственно со слухом когнитивные функции, например, на рабочую память и внимание. Мозг — динамическая самоорганизующаяся система, его развитие зависит и от нейронной активности, и от внешней стимуляции. Слуховой опыт дает развивающемуся мозгу разнообразные временные паттерны, которые могут быть важны для формирования разных алгоритмов, таких, как обнаружение паттернов, обработка временных последовательностей, управление вниманием. Так что отсутствие слухового опыта во время развития мозга может повредить когнитивным функциям, вовсе не связанным с речью. Следовательно, сенсорные нарушения, особенно возникающие в детстве, могут иметь очень интересные для неврологов нейрокогнитивные последствия. С другой стороны, восстановление сенсорных функций при протезировании может изменять или вообще уничтожать некоторые неврологические и когнитивные последствия сенсорных нарушений.
Цель этого обзора — рассмотреть, как коннектомная модель может помочь понять, почему сенсорные нарушения и последующее восстановление сенсорных функций при протезировании приводят к очень разным результатам у разных людей (на данных по детям с врожденной глухотой, которым была сделана имплантация).

Приложение коннектомной модели к нейросенсорному восстановлению.

Коннектом — это карта нейронных соединений, которые образуют нервную систему и определяют ее функционирование. Поскольку развитие мозга — самоорганизующийся процесс, развитие коннектома сильно зависит от сенсорного опыта. Коннектом, образовавшийся при отсутствии какого-то из видов сенсорной информации, может существенно отличаться от «обычного». Он может, например, быть больше привязан к остальным сенсорным системам, или по-другому обеспечивать взаимодействие сенсорных систем, управление движениями или вниманием. Этим может объясняться сильное доминирование зрительного восприятия при врожденной глухоте. Высшие когнитивные функции, а также другие сенсорные системы могут использовать сигналы от слуховой коры (например, для калибровки остальных сенсорных систем при обработке временных последовательностей) — и эти пути также могут не развиться из-за ранней глухоты. Индивидуальные различия в коннектоме могут в значительной степени определять индивидуальные различия в результатах имплантации, причем различия эти не будут привязаны только к слуховой системе, а будут проявляться на разных уровнях — от клеточного до социального, включая сложные когнитивные функции.

Сенсорное восстановление при кохлеарной имплантации.

Кохлеарные импланты хорошо передают в слуховой нерв временную организацию звукового сигнала, однако детали его спектрального состава смазываются. К тому же очень ограничен диапазон интенсивностей. Несмотря на это, слуховые импланты позволяют достаточно хорошо воспринимать речь. Некоторым людям с современными многоканальными имплантами удается распознать более 90% предъявляемых в тишине предложений. Однако делают они это в значительной степени за счет использования контекста — в тестах без контекста (например, слоговых) правильное распознавание падает до 55-60%. Попытки понять не очень хороший речевой сигнал с помощью контекста требуют существенных когнитивных усилий, и это может привести к тому, что для других когнитивных задач не хватит ресурсов.

Развитие мозга и сенсорные нарушения.

Потеря и восстановление сенсорных функций у детей происходит на фоне динамически развивающегося мозга. Молодой мозг быстро приспосабливается к среде и поэтому очень чувствителен к потере сенсорного входного сигнала. Развитие афферентных слуховых путей начинается раньше, чем начинает функционировать улитка, но продолжается и после. Улитка начинает работать на 24-26 неделе после зачатия, и с этого момента отсутствие звуковых сигналов может влиять на формирование слухового пути. Однако и ранее потеря кохлеарных клеток может привести к смерти слуховых нейронов, к нарушению целостности слуховых путей, и, в результате, к нетипичному развитию мозговых систем высшего уровня.
После рождения развитие коры мозга ускоряется. Образование кортикальных схем (рост и отмирание синаптических соединений) происходит до подросткового возраста, а созревание миелиновых оболочек продолжается даже дольше. Количество синаптических соединений в коре максимально (т. е. максимальна «вычислительная мощность» мозга) в возрасте от 1 до 4 лет; вероятно, это облегчает подстройку развития мозга под опыт — например, облегчает освоение языка. Таким образом, в нашей генетической программе есть «сенситивные периоды» - периоды, когда нейронные схемы особенно пластичны и чувствительны к окружающей среде. Понятно, что слуховая имплантация более эффективна, если она делается до конца сенситивного периода. Более поздняя имплантация эффективна только в том случае, если и потеря слуха произошла достаточно поздно — когда коннектом уже успел сформироваться.

Вариативность результатов кохлеарной имплантации

У глухих детей с нормальными когнитивными способностями при ранней имплантации «траектория освоения языка» примерно такая же, как у слышащих детей. Однако существует много работ, демонстрирующих громадный разброс в функционировании слуха, речи и языка после имплантации. Потеря слуха приводит к накоплению неврологических и нейрокогнитивных эффектов; все части мозга работают взаимосвязано, и потеря сенсорной системы (слуха) влияет на другие функции мозга, включая высшие когнитивные функции. 
Исследования на животных демонстрируют, как изменяется коннектом при сенсорной депривации. Часть нейронных связей усиливается, часть — ослабевает. У глухих кошек появляются также некоторые связи, вообще отсутствующие у слышащих.
На фото 1 схематически изображена часть человеческого коннектома. Видно, что слуховая кора связана с областями мозга, ответственными за разные виды памяти, внимание, язык, планирование движений, исполнительные функции. Очевидно, изменение этих связей при потере слуха может сильно влиять на высшие нейрокогнитивные и психосоциальные функции и на исход кохлеарного протезирования.
Люди с нормальным слухом могут пользоваться разными индивидуальными стратегиями, если несколько акустических признаков дают одинаковую информацию (например, при восприятии высоты звука или при обнаружении тона в шуме). Понятно, что при потере слуха и протезировании труднее будет тем людям, кто предпочитает использовать плохо сохранившиеся признаки звука. Например, схемы обработки языка включают дорсальный и вентральный пути. Те люди, которые предпочитают использовать вентральный (нефонологический) путь, обычно плохо понимают речь после кохлеарной имплантации.
Еще один важный фактор нейрокогнитивного развития — социальное окружение. Родительская чувствительность и когнитивная стимуляция влияют на языковое развитие детей с имплантами так же сильно, как возраст имплантации; от семейного окружения зависит также развитие исполнительных функций после имплантации. Социальные взаимодействия дают опыт языка (словарь, понимание слов и способность рассуждать, формирование вербальных представлений). На этом опыте, в свою очередь, строятся навыки, нужные для дальнейшего развития восприятия речи — например, использование для восприятия речи контекста и рассуждений.
Язык, сенсорный опыт и когнитивное развитие динамически взаимодействуют и определяют результаты кохлеарной имплантации. Например, чем лучше сенсорный сигнал передается имплантом, тем лучше оказываются языковые навыки; более сильные языковые навыки предсказывают более успешное когнитивное развитие; хорошее когнитивное развитие, в свою очередь, поддерживает развитие языка. Громадный индивидуальный разброс результатов сенсорного протезирования возникает из-за этого сложного взаимодействия различных подсистем мозга, развивающихся с разной скоростью.

Клиническая оценка нейрокогнитивного развития

У людей, потерявших слух до освоения языка и протезированных в раннем возрасте, по меньшей мере три взаимосвязанных области когнитивного функционирования находятся в зоне риска: исполнительные функции; последовательная обработка информации и обучение последовательностям; формирование понятий. Развитие этих областей сильно зависит от слухового опыта и навыков речи, в которых у всех детей с имплантами наблюдаются существенные задержки из-за периода глухоты.

Исполнительные функции

Исполнительные функции - это процессы когнитивного планирования и управления любой целенаправленной деятельностью. Исполнительные функции включают много компонент (например, рабочую память, управление вниманием, организацию, торможение и т.д). У рано оглохших людей с имплантами могут быть задержки в развитии таких компонент, как вербальная рабочая память, управляемая когнитивная беглость, перераспределение ресурсов внимания, торможение-концентрация. При оценке вербальной рабочей памяти от человека требуется удерживать в памяти последовательность знакомых вербальных стимулов (букв, цифр или слов), одновременно решая другую когнитивную задачу (например, делая в уме простые вычисления). Тесты на торможение-концентрацию требуют комбинации управляемого внимания и активного управления автоматическими ответами на стимул. Управляемую когнитивную беглость можно оценивать с помощью тестов, представляющих собой решение задач, связанных со зрительным восприятием или с принятием решений, в условиях, требующих повышенного внимания, концентрации и умственных усилий. Эти компоненты исполнительных функций оцениваются стандартными поведенческими методами; для оценки некоторых других нужно специальное аппаратное или программное обеспечение.
Следует отметить, что, хотя люди с имплантами находятся в группе риска по развитию некоторых компонент исполнительных функций, у них наблюдается большой разброс. Поэтому всегда нужна индивидуальная оценка исполнительных функций.

Последовательная обработка
Не существует тестов, отдельно оценивающих последовательную обработку, но ее оценка входит как элемент в ряд существующих тестов. Например, тесты на кратковременную вербальную память оценивают одновременно последовательную обработку и запоминание рядов лингвистических стимулов. Такие тесты показали задержку развития этой области у многих людей с имплантами, но это может означать задержку развития либо языка, либо последовательной обработки (или того и другого вместе). Существуют и невербальные тесты такого рода. Например, человека просят запомнить и воспроизвести последовательность расположений точек на экране компьютера. Существуют и не связанные с памятью тесты — например, такие, в которых нужно закончить логически последовательность из нескольких шагов, или тесты на двигательные последовательности (постукивание пальцем). По имеющимся данным, у людей с имплантами в области последовательной обработки наблюдается очень большой разброс результатов (как и в области исполнительных функций), т. е. всегда нужна индивидуальная оценка.

Формирование понятий
Глухие дети вообще, и дети с имплантами в частности, имеют высокий риск отставания в области формирования понятий. Частично это связано с отставанием в языке и рабочей памяти. Обычно на простых невербальных тестах с одношаговыми аналогиями отставания не наблюдается, но оно существенно на тестах, требующих одновременной обработки нескольких характеристик предъявляемых стимулов (например, Woodcock-Johnson Tests of Cognitive Abilities). Недостатки формирования абстрактных связей и представлений создают дополнительные трудности в понимании языка. Это влияние формирования понятий на понимание языка оценивается с помощью тестов на понимание инструкций и понимание речи.

Поведенческие опросники
Кроме использования клинических тестов, важно систематически оценивать когнитивное функционирование человека с имплантом в обычной жизни. Для этого используются опросники, на которые отвечает либо сам человек, либо тот, кто о нем заботится. Два таких опросника (BRIEF и LEAF) использовались для оценки исполнительных функций, последовательной обработки и формирования понятий у детей с имплантами. Опросники хороши тем, что их очень просто использовать.

Другие нейрокогнитивные области
Результаты оценки перечисленных выше «областей риска» следует интерпретировать в более широком контексте других областей нейрокогнитивного функционирования. Например, оценка невербального («подвижного») интеллекта и языковых навыков может объяснить функционирование других когнитивных областей у человека с имплантом, хотя подвижный интеллект и не является областью риска у людей с имплантом.

Клинические вмешательства для улучшения нейрокогнитивного функционирования
Быстрый рост исследований по нейрокогнитивной оценке пока не сопровождается параллельным ростом исследований по доказательным методам вмешательства. Перспективные шаги сделаны только в двух направлениях. Во-первых, для обычных детей разработаны методы улучшения исполнительных функций — эти методы могут применяться и для детей с имплантами. Во-вторых, предлагается дополнять обычную логопедическую работу обучением специальным стратегиям, улучшающим нейрокогнитивное развитие.

Работа с исполнительными функциями
У людей с нормальным слухом для улучшения исполнительных функций использовались программы тренировки рабочей памяти с помощью компьютера; программы, основанные на физической активности и дисциплине (например, обучение боевым искусствам); программы, в которых навыкам, связанным с исполнительными функциями обучают в школе или дома.
Исследование тренировки рабочей памяти на компьютере показало, что люди действительно начинают лучше справляться с похожими задачами на запоминание, но убедительного переноса на другие навыки не получается.

Включение нейрокогнитивного вмешательства в логопедическую работу
Поскольку язык тесно связан с исполнительными функциями (особенно с рабочей памятью), логопедическое вмешательство может улучшить когнитивное функционирование в целом. К тому же логопедические занятия часто включают тренировку навыков, связанных с исполнительными функциями — например, управление вниманием (направление внимания на отдельные элементы речевого сигнала или на компоненты языка), торможение (фокусирование на каких-то аспектах звука или языка и игнорирование мешающих сигналов), когнитивная эффективность (быстрая и эффективная обработка языка). Новые компьютерные программы слуховой тренировки также содержат элементы тренировки исполнительных функций. Немногочисленные работы, исследовавшие влияние логопедических занятий на исполнительные функции у людей с имплантами, показали большее улучшение речевых и языковых навыков, чем исполнительного функционирования.
Исследования эффективности нейрокогнитивного вмешательства для людей с имплантами показали положительные эффекты близкого переноса (т. е. улучшение выполнения задач, похожих на те, которые тренировали), но свидетельств генерализации и долговременного положительного влияния пока мало.
Тем не менее, интегрированный подход, включающий разработанные для обычных людей методы нейрокогнитивного вмешательства в логопедическую работу, кажется достаточно перспективным.

Направления дальнейших исследований
Необходимы дальнейшие исследования развития коннектома при потере слуха и его восстановлении после имплантации. С одной стороны, это поможет понять, как добиться более стабильно благоприятных исходов имплантации. С другой стороны, слух может служить моделью для понимания процессов, происходящих при нарушении и восстановлении других сенсорных систем.
Генная терапия и тканевая инженерия могут существенно повысить качество восстановления сенсорных органов (особенно в тех случаях, когда за нарушение отвечает один ген, а дегенеративные изменения в органе невелики). Улучшение биологической инфраструктуры при имплантации повысит качество передачи и обработки сенсорной информации, а в будущем, возможно, сделает имплантацию вообще ненужной.
Важное направление дальнейших исследований — разработка новых программ помощи тем глухим детям, у которых после имплантации плохо развивается речь. Наблюдающийся сейчас громадный разброс исходов имплантации только частично может быть объяснен традиционными факторами (демографические характеристики, особенности импланта, слуховая история). Проблема помощи глухим детям, которые не могут научиться хорошо говорить, несмотря на удачную имплантацию, очень важна. Некоторые предлагают параллельно учить их жестовому языку, чтобы дать им языковой опыт. Другие критикуют эту идею за то, что пока нет достаточных доказательств ее эффективности. 
Коннектомная модель может прояснить нейронные и нейрокогнитивные факторы в вариативности исходов имплантации, поэтому исследования в этой области очень перспективны и могут привести к полезным практическим рекомендациям по методам помощи.