Lidské ucho v počítači

Podle známého výroku Richarda Feynmana člověk něčemu pořádně porozumí, až když to sám sestrojí. A já (Pavel Jungwirth) jsem si z velmi osobních důvodů léta přál do detailu porozumět procesu slyšení. Nástrojem k tomuto porozumění je počítačový model sluchového systému, který se nám po mnohaletém úsilí podařilo vytvořit. Umožňuje simulovat různé typy poruch sluchu a získané informace využít nejen k jejich pochopení, ale i k optimalizaci pomůcek pro konkrétní pacienty.

1. Od tlaku k nervovým vzruchům. A. Třmínek na oválném okénku převádí akustický tlak do perilymfy; rozdíl tlaků mezi scalou vestibuli a tympani (dvěma prostory v hlemýždi) rozkmitá bazilární membránu a vybudí po ní cestující vlnu s vrcholem v místě charakteristické frekvence. B. V Cortiho orgánu lokální kmitání bazilární membrány vyvolá relativní pohyb struktur, který vychýlí svazek stereocilií a otevře mechanosenzitivní iotové kanály (MET) vláskových buněk (IHC, OHC). C. Tonotopická mapa – různá místa kochley kódují různé frekvence. D. Vnitřní vlásková buňka (IHC) s kanály ME T na stereociliích a draslíkovými kanály bazolaterálně; depolarizace otevírá Ca²⁺ kanály, spouští synaptický přenos a akční potenciály ve vláknu sluchového nervu. E. Schematický iontový kanál v membráně.

Syn Matěj prodělal jako novorozeně v roce 1991 bakteriální meningitidu a jako vedlejší důsledek úspěšné léčby silnými antibiotiky utrpěl těžkou ztrátu sluchu. Matěj ji díky kvalitním sluchadlům a intenzivní logopedii úžasně kompenzoval, dokonce do té míry, že dokázal úspěšně studovat na univerzitách v USA. A ve mně dlouhodobě zůstala touha dobře pochopit, co se to vlastně na buněčné úrovni s Matějovým sluchem stalo, a také jak detailně fungují kompenzační pomůcky, tj. sluchadla či kochleární implantáty.

O řadu let později, v roce 2011, jsem se shodou šťastných okolností setkal s Pavlem Mistríkem, který v Ear Institute na londýnské University College pracoval na počítačovém modelu vnitřního ucha a poté přešel do rakouské firmy Med-El vyvíjející kochleární implantáty. Z tohoto setkání vzešel nápad pokusit se vytvořit na podobné úrovni model celého tzv. periferního sluchového systému, který by komplexně simuloval proces slyšení od zachycení akustické vlny boltcem vnějšího ucha až po excitaci sluchového nervu, který pak signál dále přenáší do centrální nervové soustavy (obr. 1). Naivně jsem si představoval, že to bude projekt, se kterým budeme za dva tři roky hotovi. Nakonec nám to trvalo dvanáct let.¹⁾ Zásadní podíl na tom, že se nám počítačový model lidského ucha nakonec podařilo vytvořit, má můj (dnes už bývalý) student (a další shodou náhod Matějův spolužák z gymnázia) Ondřej Ticháček, první autor tohoto článku.

Chemické a elektrické gradienty

Výše zmíněný Mistríkův elektrický model Cortiho orgánu v hlemýždi vnitřního ucha byl pro nás dobrý výchozí bod, protože v procesu slyšení hrají hlavní roli ionty, elektrická napětí a proudy. Zvuk je sice mechanické vlnění, ale rozhodnutí, zda se objeví akční potenciál, padá na úrovni iontových proudů skrz membránu. Buněčná membrána je polopropustná bariéra, která udržuje na každé straně odlišné koncentrace draslíku (K⁺), sodíku (Na⁺), chloridů (Cl^–) a dalších iontů. Typická buňka má uvnitř relativně vysoké koncentrace K⁺ a nízké Na⁺ (vně buňky je to naopak) a klidové napětí řádově −60 až −80 mV. Vnitřní ucho má ale jedinečné prostředí. Mechanosenzitivní části senzorických vláskových buněk (IHC a OHC, viz rámeček) jsou vystaveny endolymfě, což je extracelulární tekutina s neobvykle vysokým obsahem K⁺ a nízkou koncentrací Na⁺, tedy složením obráceným vůči obvyklým extracelulárním tekutinám. Zároveň je zde aktivně udržován kladný potenciál zhruba +80 mV. Díky tomu, když se na apikální straně vláskových buněk otevře mechanosenzitivní iontový kanál (MET), proud K⁺ teče do buňky a vyvolá výraznou depolarizaci. Na bazolaterální straně vláskových buněk je prostředí „normální“ a K⁺ proudí ven, čímž buňku repolarizuje. Celý proces je tedy řízen elektrickými a chemickými gradienty.