Анатомия звука: как устроен голос и что наука умеет с ним делать

Недавно в Клиническом центре Сеченовского университета впервые в стране провели операцию по восстановлению голоса, используя клеточные технологии. Специалисты отмечают: лечить такие нарушения непросто. Голос — это результат сложного взаимодействия анатомии, физиологии и приобретенных навыков. Проблемы в этой области не всегда связаны с голосовым аппаратом. 

Как формируется наша речь? Чем отличается голосовой аппарат обычного человека от того, что есть у оперного певца? И можно ли по акустическим характеристикам выявить депрессию? Рассказываем в нашем материале.

Откуда звук

Начнем с простого вопроса: что происходит, когда мы говорим? В работе нашего голосового аппарата участвуют не только голосовые складки, но и легкие, создающие поток воздуха, а также гортань, где формируется звук. Индивидуальное звучание придают так называемые резонаторы: глотка, полость рта и носа.

«Во время разговора воздух из легких проходит через сомкнутые голосовые складки. Под действием воздушного потока они начинают быстро вибрировать, создавая звуковую волну. Затем звук усиливается и меняется в резонаторных полостях, а язык, губы и мягкое небо превращают его в речь», — рассказывает доцент кафедры болезней уха, горла и носа Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского Сеченовского Университета Михаил Свистушкин.

При шепоте голосовые складки практически не вибрируют: воздух проходит через небольшую щель между ними. Поэтому звук получается тихим, «шуршащим». Во время крика голосовые складки смыкаются плотнее, увеличивается давление воздуха и амплитуда колебаний. Голос становится громче, возрастает нагрузка на ткани гортани.

Громкость голоса зависит не только от состояния голосовых складок, но и от того, насколько эффективно человек использует дыхание. На скорость речи влияют особенности нервной системы, темперамент, привычки общения и даже культура речи.

«У некоторых людей более длинные и массивные голосовые складки — они создают более низкий голос. Короткие и тонкие — высокий. Важную роль играют размеры и форма резонаторных полостей. Именно поэтому два человека с похожей высотой голоса могут звучать совершенно по-разному. Этот индивидуальный оттенок мы называем тембром», — объясняет эксперт.

Другой разговор

Часто можно встретить людей, которым не нравится слышать в записи свой голос, а для кого-то он и вовсе кажется чужим. Это явление связано с особенностями нашей анатомической структуры. В процессе говорения звук распространяется не только по воздуху, но и через кости черепа и ткани головы — они дополнительно усиливают низкие частоты. Поэтому собственный голос нам кажется более глубоким и объемным, чем он есть на самом деле.

«В записи мы слышим голос таким, каким его слышат окружающие, поскольку есть только воздушное проведение звука. К тому же человек обычно хорошо знает особенности собственной речи и замечает мельчайшие нюансы, на которые другие не обращают внимания», — добавляет ученый.

Если собственный голос все же не устраивает, его можно изменить. На звучание влияют не только анатомические особенности, но и привычки речи, дыхание, положение гортани, артикуляция. Скорректировать голосовые характеристики можно на занятиях со специалистом, в том числе логопедом или педагогом по вокалу.

«В медицине также существуют хирургические методы коррекции голоса. Они применяются по строгим показаниям. Например, при нарушениях функции голосовых складок, последствиях травм, некоторых врожденных особенностях. Но нельзя полностью изменить анатомию голосового аппарата без серьезного вмешательства. Поэтому чаще речь идет о коррекции отдельных характеристик, а не о создании нового голоса», — утверждает кандидат медицинских наук Михаил Свистушкин.

Лишиться дара речи

Исследованиями, связанными с работой голосового аппарата, занимаются фониатры. Один из главных методов анализа — видеостробоскопия. Эта технология позволяет увидеть вибрацию голосовых складок в замедленном режиме и оценить таким образом качество колебаний, выявить нарушения, которые невозможно заметить при обычном осмотре.

Иногда используют акустический анализ голоса, изучают дыхательную функцию, проводят консультации невролога, эндокринолога и других специалистов. Голос — результат работы многих систем организма, поэтому иногда причина проблемы находится далеко за пределами гортани. Например, голос может «сесть» или пропасть при эмоциональном стрессе. Голосовой аппарат тесно связан с нервной системой, поэтому во время сильной тревоги организм переходит в режим мобилизации: изменяется дыхание и работа вегетативной нервной системы, повышается мышечное напряжение.

«Потеря голоса — это не самостоятельная болезнь, а симптом, который требует выяснения причины. Полная утрата голоса встречается сравнительно редко. Иногда причина связана с повреждением голосовых складок, в других случаях нарушается работа нервов, управляющих мышцами гортани», — объясняет доцент.

Хрипота возникает, когда голосовые складки перестают вибрировать симметрично и равномерно. Среди частых причин: воспаление, отек, доброкачественные образования, последствия перенапряжения голоса. Но хриплый голос не всегда означает патологию. Например, после длительного выступления или перенесенной вирусной инфекции голос может временно измениться. Как правило, такие нарушения проходят самостоятельно. Если осиплость сохраняется более двух-трех недель, необходимо обратиться к врачу.

Регенеративная медицина

Сегодня большинство распространенных заболеваний, связанных с голосовым аппаратом, успешно лечатся. В одних случаях достаточно соблюдать голосовой режим и посещать занятия с фониатром, в других необходимо медикаментозное лечение или хирургическое вмешательство. 

«Наибольшие сложности связаны с рубцовыми изменениями голосовых складок. Удалить рубец можно, но восстановить исходную структуру ткани намного сложнее. Поэтому мы в Сеченовском Университете активно развиваем регенеративные технологии, направленные не просто на устранение дефекта, а на восстановление нормальных свойств голосовой складки, включая ее способность к вибрации», — делится эксперт.

Чтобы восстановить голос пациента, специалисты Сеченовского Университета имплантировали в область дефекта голосовой складки клеточные сфероиды — трехмерные структуры, сформированные из его клеток. В настоящий момент в Клиническом центре удалось провести уже три такие операции.

«Разработка этой технологии заняла несколько лет. Ее преимущество заключается в том, что клетки сохраняют естественные контакты друг с другом и способны длительное время поддерживать процессы регенерации. Мы стремимся создать условия для восстановления собственной ткани пациента. От этого в значительной степени зависит качество голоса», — говорит Михаил Свистушкин.

Эксперт добавил, что масштабировать подобные технологии сложно, поскольку важно не только освоить хирургическую манипуляцию, но и наладить весь цикл производства биомедицинского клеточного продукта. Но перспективы у метода есть. По тому же принципу в Сеченовском Университете уже восстанавливают барабанную перепонку, а в дальнейшем технологию планируют применять для восстановления тканей полости носа и решения других задач регенеративной медицины.

Тревожный сигнал

Современные технологии помогают не только вернуть голос, но и определить по нему другие заболевания, в том числе психические расстройства. Такую технологию разработали в Новосибирском государственном университете (НГУ). Она представляет собой прототип компьютерной программы на основе нейросетевых моделей, оценивающей по аудиозаписи уровень депрессии.

Чтобы обучить нейросеть, специалисты записали более 90 аудиоинтервью. Каждому испытуемому по результатам психологических тестов присваивали метку с уровнем выраженности симптомов депрессии. Акустические признаки голоса переводили в цифровые векторы и обучали модель распознавать закономерности. 

«На сегодняшний день не существует набора параметров, который однозначно определял бы депрессию. Но комбинации спектральных, просодических и голосовых характеристик в моделях машинного обучения позволяют с высокой точностью отличать речь, свойственную клинически депрессивным состояниям», — рассказывает руководитель проекта, старший преподаватель кафедры психологии личности Института медицины и медицинских технологий НГУ, кандидат психологических наук Марина Злобина.

Программа не анализирует отдельно тон, тембр или громкость, а все характеристики в комплексе. При этом метод позволяет отличить депрессивное состояние от обычной грусти. Голос человека с депрессией заметно отличается, в первую очередь, по мел-частотным кепстральным коэффициентам — специальным акустическим параметрам, которые используются в обработке речи, поясняет эксперт.

«Вероятно, если человек будет намеренно говорить бодрым голосом, это может повлиять на некоторые акустические параметры. Однако модель анализирует множество микропризнаков, которые сложно полностью контролировать сознательно», — объясняет Марина Злобина.

Пока технологию тестировали только на выборке из собранного датасета. Хотя программа показала хорошие результаты, в будущем набор данных предстоит расширять. В перспективе с помощью этой системы можно будет анализировать и другие состояния, например, тревогу и стресс. Также ее можно дополнить источниками данных, в том числе текстом и видео.

Как сохранить голос

На качество голосовых органов влияет множество факторов. Самые распространенные: курение, алкоголь, хронические воспаления дыхательных путей, голосовая перегрузка и вдыхание раздражающих веществ. Кроме того, с возрастом голосовые складки теряют эластичность, уменьшается мышечная ткань, меняется работа слизистой оболочки. Такие процессы называют старением голоса, или пресбифонией.

Чтобы сберечь свой голос, следует относиться к нему как к инструменту, который требует разумной нагрузки и заботы: избегать крика, не говорить долго в шумной обстановке, вовремя лечить заболевания дыхательных путей, контролировать хронические воспаления, соблюдать питьевой режим. Людям голосовых профессий — педагогам, певцам, лекторам, актерам — полезно выполнять специальные упражнения для координации дыхания и работы голосовых складок.

Кстати, о певцах. С анатомической точки зрения голосовой аппарат профессионального вокалиста устроен так же, как у любого другого человека. Секрет кроется в умении управлять голосом: они годами оттачивают координацию дыхания, работу мышц гортани и резонаторов, учатся контролировать натяжение складок и силу воздушного потока. Конечно, природные данные тоже имеют значение: у каждого есть свой диапазон, который определяется анатомическими особенностями гортани. Но грамотная подготовка позволяет значительно расширить голосовые возможности.

«Стоит отметить, что универсальной гимнастики для речевого аппарата, подходящей абсолютно всем, не существует. Комплекс упражнений лучше подбирать индивидуально со специалистом», — говорит доцент кафедры болезней уха, горла и носа Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского Сеченовского Университета Михаил Свистушкин.

Вопреки популярному заблуждению, продуктов, укрепляющих голосовые складки или делающих голос красивее, не существует. Питание может влиять на голосовой аппарат в отдельных случаях, например, при рефлюксе (хроническом заболевании пищеварительной системы, когда содержимое желудка попадает в гортань и раздражает слизистую). Таким пациентам приходится ограничивать некоторые продукты.

Еще один распространенный миф: кофе и холодная вода вредны для голоса. На самом деле для большинства здоровых людей они не представляют опасности. Гораздо важнее пить достаточно воды и соблюдать общие принципы здорового образа жизни: физическая активность, полноценный сон и отказ от вредных привычек. Тогда с голосом точно все будет в порядке.

Анна Шиховец