Počítačový model ucha

Čeští vědci vyvinuli unikátní nástroj ke zkoumání sluchu

Od vnějšího ucha až po sluchový nerv. Nový kompletní počítačový model ucha, který vyvinuli badatelé z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, umožní neinvazivně zkoumat sluch savců včetně člověka, a to v nebývalé šíři. Pomoci má nejen k lepšímu poznání lidského ucha, ale i ke zdokonalení sluchových pomůcek. Výsledky výzkumu zveřejnil vědecký časopis Hearing Research.

Stovky hodin programování a desítky tisíc řádků kódů stojí za vznikem počítačového modelu ucha, jehož konstrukce je založená na nejnovějších znalostech fyziologie a molekulárních principů slyšení.

Myšlenka vyvinout tento nástroj se zrodila v hlavě vedoucího skupiny molekulového modelování Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR Pavla Jungwirtha. Na první pohled tento nápad do jeho práce tematicky moc nezapadá. Zdání ale klame…

„Přivedla mě k tomu směs bláznovství a osobních důvodů. Můj mladší syn Matěj prodělal jako miminko meningitidu, následkem čehož má závažné sluchové postižení. Chtěl jsem problematice lépe porozumět,“ vysvětluje Pavel Jungwirth. „Kromě toho jsem si uvědomil, že v lidském uchu je přenos informace zprostředkován iontovými proudy vápníku a draslíku, což je přesně naše výzkumná parketa,“ usmívá se badatel.

Pěkně odspodu

Vše začalo už v roce 2011, kdy vědec poznal Pavla Mistríka z rakouské firmy MED-EL, která využívá počítačové modely k vývoji kochleárních implantátů. Slovo dalo slovo a Pavel Jungwirth se rozhodl, že zkusí kompletní model ucha vyvinout. Naivně si myslel, že za tři roky bude práce hotová, ale to se přepočítal. Náročný výzkum mu nakonec po necelých dvanácti letech pomohl dotáhnout ke zdárnému konci jeho student Ondřej Ticháček.

Parametry pro vývoj modelu pocházejí jak z dosavadních pokusů na zvířatech, tak z výpočtů. „Naše práce je unikátní v tom, že jsme na to jako fyzikální chemici šli ‚odspodu’ – tedy od molekulární úrovně, iontových kanálů a proudů až na úroveň orgánu,“ říká Pavel Jungwirth.

Díky tomu je výsledný model nejen fyziologicky správně, ale také přesně reflektuje fyzikální jevy, které v uchu probíhají. Podrobně mapuje, jak se přicházející zvuk převádí na mechanické vibrace ve středním a vnitřním uchu, následně na elektrické vzruchy vnějších a vnitřních vláskových buněk, aby se nakonec proměnil prostřednictvím působení neurotransmiterů na sérii elektrických impulzů ve sluchovém nervu. Ty se pak převádějí do centrální nervové soustavy.

Lepší sluchové pomůcky na obzoru

„V současné době jde o model zdravého ucha, ale není problém ho ‚zkazit’, a modelovat tak různé genetické sluchové vady nebo jiná poškození sluchu,“ upřesňuje Pavel Jungwirth.

Díky tomu se odborníci mohou dozvědět víc o detailních mechanismech různých forem sluchového postižení, což otevírá cestu k vylepšení sluchadel a kochleárních implantátů. Počítačový model ucha totiž umožňuje získat údaje, které jsou experimentálně jen těžko dostupné. Fyzické měření na lidském uchu by bylo příliš invazivní a jediné, co se proto dosud nabízelo, bylo využití zvířecích modelů.

„Počítačové modelování může do jisté míry nahradit nebo doplnit tyto experimenty,“ říká Pavel Jungwirth. Z nového nástroje pro základní výzkum sluchu, který se mu zrodil pod rukama, budou profitovat hlavně lidé. „Jde však o obecný model savčího ucha, takže kdyby někdo potřeboval vědět, jak slyší jeho křeček, můžeme mu také pomoci,“ dodává s úsměvem.

Nástroj pro všechny

Počítačový model ucha založený na programovacím jazyku a numerickém výpočetním prostředí MATLAB je nyní k dispozici vědecké komunitě, která se sluchem zabývá. Může jej ale využít každý, kdo má zájem modelovat různé typy sluchových poruch nebo se zabývá tím, jak tyto vady kompenzovat sluchadly nebo kochleárními implantáty.

Zdroj: Akademie věd ČR

O dalších vědeckých počinech Pavla Jungwirtha si můžete přečíst v časopise A / Magazín (dříve A / Věda a výzkum). O své práci hovořil také v podcastu Akademie věd.

---

WIRED | Chtěl pomoci synovi. Tak vytvořil počítačové ucho

Fyzikální chemik Pavel Jungwirth se běžně zabývá modelováním iontových interakcí. Aby pomohl svému sluchově postiženému synovi, teď jako „vedlejšák“ vytvořil počítačový model lidského ucha. Může pomoci při zkoumání sluchu, ale i vývoji lepších pomůcek.

---

VESMÍR | Ucho v počítači

Fyzikální chemik Pavel Jungwirth celou svou vědeckou kariéru zkoumá chování iontů. Zpočátku se věnoval především aerosolům a atmosférické chemii. Když ale před lety přešel z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského do Ústavu organické chemie a biochemie, upřel svou pozornost i na roli iontů v biologii (Vesmír 95, 502, 2016/9).

Jeho (dnes už dospělý) syn navíc trpí těžkou ztrátou sluchu. I to Pavla Jungwirtha motivovalo k zájmu o fungování lidského ucha. Také v něm hrají ionty zásadní roli při převodu zvukového signálu na signál elektrický (především draselné ionty v mechanicky aktivovaných iontových kanálech vnějších vláskových buněk Cortiho orgánu a vápenaté ionty na synapsích vnitřních vláskových buněk).

Před dvanácti lety začal Pavel Jungwirth s Pavlem Mistríkem z firmy MED-EL, která vyvíjí kochleární implantáty, pracovat na detailním počítačovém modelu savčího ucha. Pracovali metodou „zdola nahoru“ od základních prvků po celek a spolu s Jungwirthovým studentem Ondřejem Ticháčkem postupně sestavili model celého ucha od ucha vnějšího přes bubínek, sluchové kůstky a hlemýždě vnitřního u Bezmasý, přesto šťavnatý. cha až po sluchový nerv. Úpravou parametrů lze model modifikovat pro ucho různých savců, z praktických důvodů ho autoři kalibrovali na ucho lidské. Testovali ho pro frekvence od 250 Hz po 8 kHz při různých hladinách zvuku a demonstrovali dobrou shodu s experimentálními daty. Model usnadní studium fungování savčího ucha a různých poruch sluchu, může pomoci i při vývoji sluchadel a kochleárních implantátů. Všechna data i kódy modelu vytvořené v prostředí MATLAB jsou volně dostupné v online službě GitHub.

Ticháček O. et al.: Hear. Res. 2023, DOI: 10.1016/j.heares.2023.108900

---