Ответы мозга на повторение звуков впервые зарегистрировали у человеческого плода
Неврологи впервые зарегистрировали стационарные слуховые вызванные потенциалы у человеческих плодов возрастом 30–39 недель, сообщается в PLoS ONE. Они определили, в каком состоянии — спокойном или активном — такие потенциалы проще обнаружить, и предположили, что с помощью анализа таких потенциалов у детей за несколько недель до рождения можно будет следить за степенью развития их слуховой коры.
Слух человека можно проверить с помощью набора аудиотестов, в которых ему нужно будет ответить на определенные вопросы, указать на различия между звуками, если они есть, и так далее. Если испытуемый не может или не хочет говорить или как-то своим поведением реагировать на проверочные стимулы, можно использовать методы регистрации активности мозга, в первую очередь электроэнцефалографию (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографию (МЭГ). Их временное и пространственное разрешение достаточное, чтобы выявить, какие участки мозга активировались в ответ на появление конкретного звука — по крайней мере, если этот звук предъявить несколько раз и наблюдать при этом вызванные потенциалы.
Реакции мозга на аудиостимулы разных тональностей зависят от состояния слуховой коры. Если какие-то структуры в ней еще не сформировались, то вызванные потенциалы в ответ на некоторые стандартные стимулы не возникнут, появятся с другой латентностью (то есть по прошествии какого-то «нестандартного» времени с момента, когда был подан звук) или будут еще как-то изменены. Этим фактом можно было бы пользоваться, чтобы изучать ход развития слуховой коры у человеческого плода на поздних сроках развития.
Один из вариантов слуховых вызванных потенциалов, транзиторный связанный с событием (transient auditory event related response, AERR), уже регистрировали у нерожденных детей в ответ на единичные чистые тоны. А слуховые вызванные потенциалы другого типа, стационарные (auditory steady-state response, ASSR), у людей до рождения еще не изучали.
Доротеа Нипель (Dorothea Niepel) из Университетской клиники Тюбингена и ее коллеги из Германии и США провели пилотное исследование, в котором провели 47 сеансов магнитоэнцефалографии для 24 беременных женщин, у которых за время вынашивания не наблюдалось никаких проблем со здоровьем. Некоторым из них провели две или три сессии МЭГ, поэтому число сеансов не совпадает с количеством испытуемых. Пока не рожденных детей этих женщин разделили на три группы по сроку внутриутробного развития: 30–32 недели, 33–35 недель и 36–39 недель.
В рамках одной сессии плодам в случайном порядке предъявляли звуковые стимулы высотой 27 или 42 герца на фоне постоянного шума 500 герц. Их громкость составляла 94 децибела у поверхности живота, и при прохождении через ткани, как считают ученые, терялось не более 20–30 децибел. Каждый стимул длился секунду, а интервал между звуками составлял либо 3, либо 3,5 секунды. Эксперимент длился не более 10 минут, и за это время будущий ребенок успевал услышать 80–100 звуков. Параллельно ученые записывали магнитоэнцефалограмму и магнитокардиограмму плода. Последняя позволяла выяснить, в каком он находится состоянии. У плода старше 32 недель по активности сердца можно различить четыре состояния (активные и пассивные сон и бодрствование), у тех, кто моложе, только два — пассивное и активное.
В десяти случаях дефекты записи, вызванные движениями беременных или другими причинами, помешали анализировать результаты. Но на основании 37 МЭГ-сессий получилось, что плод на поздних сроках внутриутробного развития реагирует на звук высотой 27 герц, но не на звук высотой 42 герца. Форма и амплитуда вызванных потенциалов, впрочем, была индивидуальной. Чаще всего их удавалось зарегистрировать в ответ на звук, когда плод находился в состоянии активного сна (2F; напоминает стадию парадоксального сна у взрослых), а не активного бодрствования (1F).
С возрастом выраженность реакции слуховой коры на стимул росла. Это означает, что с помощью анализа стационарных слуховых вызванных потенциалов у нерожденных детей можно определять, своевременно ли у них развивается эта область коры, и в случае отклонений оперативно принимать меры по борьбе с их последствиями. Основная проблема с регистрацией таких потенциалов, по словам авторов исследования, заключается в соотношении сигнала и шума. Вероятно, его получится улучшить, если поменять громкость звуков, использовать какие-то другие частоты, в том числе для фона, и так далее.
В 2015 году американские исследователи показали, что звук голоса матери ускоряет развитие слуховой коры у недоношенных детей. А одну из форм наследственной глухоты, вызванную мутациями в гене GJB2 (но не связанной напрямую со слуховой корой), российские ученые предложили лечить редактированием генома эмбрионов. Однако пока эксперименты с яйцеклетками, где есть соответствующая мутация, не начались.
Светлана Ястребова
И отползли от источника звука
Группа исследователей из Китая, США и Южной Кореи выяснила, что нематоды Caenorhabditis Elegans, которые чувствуют звук всем телом, реагируют не на абсолютное звуковое давление, а на его градиент. Из-за этого они способны различать и избегать звуки, которые издают небольшие беспозвоночные хищники, но не реагируют на более громкий шум. Кроме того, такой механизм восприятия градиента звукового давления, по-видимому, общий для многих животных, включая других беспозвоночных и млекопитающих. Работа опубликована в Current Biology. У нематод Caenorhabditis Elegans, как и у многих беспозвоночных, нет органов слуха, но они могут чувствовать звук и уползать от него, то есть проявлять отрицательной фонотаксис. В 2019 году Адам Илифф (Adam Illiff) из Мичиганского университета с коллегами показали, что звуковые вибрации черви ощущают всем телом, а их наружные покровы — кутикула — работают примерно как барабанная перепонка позвоночных. Тогда ученые определили механосенсорные нейроны червей, которые, вероятно, преобразуют звуковые волны в нервный импульс. И выяснили, что воспринимают черви именно колебания воздуха: мутанты, которые не чувствовали вибрацию субстрата, все равно проявляли фонотаксис. Теперь Цань Ван (Can Wang) из Хуачжунского университета науки и технологий (он принимал участие и в прошлом исследовании) и его коллеги из Китая, США и Южной Кореи выяснили, как именно нематоды чувствуют звук. Они размещали рядом с головой нематод динамики разных размеров и включали звуки разной громкости и частоты. Когда ученые помещали маленький динамик диаметром 0,5 миллиметра на расстоянии одного миллиметра от головы нематоды (что примерно равняется длине тела червя), и включали на нем звук частотой 1 килогерц и громкостью 80 децибел, черви разворачивались и ползли в противоположную от звука сторону. Но когда этот динамик заменили на больший, диаметром 3 миллиметра, нематоды не реагировали, хотя звук был таким же. Даже когда громкость увеличивали до 110 децибел или меняли частоту на большую или меньшую, нематоды не меняли траекторию своего движения. Исследователи обнаружили, что кутикула червей вибрирует сильнее всего от звука из маленького динамика. С помощью кальциевой визуализации авторы оценили активность механосенсорных нейронов, которые и реагируют на звуковые колебания. Их активность уменьшалась с увеличением размера динамика, даже если громкость звука была одинаковой. На звук из трехмиллиметрового динамика нейроны червей не реагировали. Также ученые выяснили, что звук из маленького динамика создает наибольший градиент звукового давления в теле нематод — это измерили с помощью миниатюрного микрофона. Давление звука, проходящего через среду, снижается с течением времени, — и в голове червя, которая ближе всего к динамику, оно выше, чем на конце его тела. Если источник звука небольшой, звуковое давление уменьшается быстрее, и таким образом градиент звукового давления по телу червя получается больше. Чтобы изменить звуковой градиент, авторы размещали динамики на разном расстоянии от головы червя — чем ближе был динамик, тем резче градиент. Абсолютное звуковое давление в области головы нематод тем временем не менялось. Черви демонстрировали наиболее устойчивые слуховые реакции только в ответ на резкий градиент. Градиент звукового давления коррелировал и с движением червей, и с вибрацией кутикулы, и с активностью механосенсорных нейронов. Нематоды живут в гниющих листьях на земле, где им могут повстречаться разные беспозвоночные хищники. По всей видимости, именно их звуки — стрекотание, шуршание или шелест крыльев — и могут слышать черви, а вот более громкие звуки от источников большего размера для них не так важны. Градиент звукового давления возникает и в тимпанальных органах кузнечиков, и в заполненной жидкостью улитке млекопитающих. В случае последних этот градиент, по всей видимости, необходим, чтобы активировались механочувствительные волосковые клетки улитки. То есть активация чувствительных к звуку нейронов происходит у разных животных по одному принципу. Ранее ученые обнаружили, что эпигенетическая память позволила нематодам C. elegans избегать патогенных бактерий даже спустя четыре поколения. То есть одни черви встретились с бактерией, выяснили, что она опасна, и стали ее избегать, а их детям и внукам уже не потребовалось проверять бактерий на себе — они избегали их сразу благодаря унаследованным модификациям гистонов.