原创 脑机接口-人工耳蜗

声源→耳廓（收集声波）→外耳道(传导声波）→鼓膜（将声波转换成振动）→耳蜗（将振动转换成神经冲动）→听神经（传递冲动）→大脑听觉中枢（形成听觉）。

如上图所示，我们把内耳拉直。外周听觉器官就是耳。我们把耳分为3个部分，从生理功能来看，外耳起集音作用；中耳起传音作用，将空气中的声波传入内耳；内耳具有感音功能。声波经外耳道到达鼓膜，引起鼓膜的振动。鼓膜振动又通过听小骨而传达到前庭窗（卵圆窗），使前庭窗膜内移，引起前庭阶中外淋巴振动，从而蜗管中的内淋巴、基底膜、螺旋器等也发生相反的振动。封闭的蜗窗膜也随着上述振动而振动，其方向与前庭膜方向相反，起着缓冲压力的作用。从外耳集声、中耳传声至耳蜗基底膜振动及毛细胞纤毛弯曲为物理过程或称声学过程。

基底膜的振动使螺旋器与盖膜相连的毛细胞发生弯曲变形，产生与声波相应频率的电位变化（称为微音器效应），毛细胞受刺激后引起细胞生物电变化、化学递质释放，神经冲动传至各级听觉中枢，经过多层次的信息处理，最后在大脑皮层引起听觉。

听觉通路（Auditory Pathway）

蜗螺旋神经节内的双极细胞是听觉传导的第1级神经元，其周围突分布于内耳毛细胞，中枢突构成听神经(蜗神经)。蜗神经入脑后，终止于蜗神经腹核和背核。蜗神经腹核和背核内含第2级神经元，它们发出的纤维大部分在脑桥内形成斜方体并交叉至对侧，在上橄榄核外侧折向上行，称为外侧丘系。外侧丘系的纤维大部分终止于下丘。下丘内第3级神经元发出纤维从下丘臂到达内侧膝状体，第4级神经元在内侧膝状体，它们发出纤维组成听辐射，经内囊到达同侧的大脑颞叶颞横回，即听皮质。听皮质接受听觉信息，经分析综合，产生听觉意识。

与人工耳蜗相关的两个器官

螺旋神经节细胞

耳蜗听神经元（即蜗螺旋神经节细胞）位于耳蜗骨螺旋板和蜗轴基部的骨性蜗螺旋小管内（Rosenthal's canal），组成螺旋神经节（spinal ganglion）。人类约有3万个听神经元，它们将毛细胞感受的信息，经过突触传递传入脑干。

毛细胞

螺旋器中的关键细胞是毛细胞，它们可分为内毛细胞和外毛细胞。内毛细胞靠近蜗轴排成一行，总数约3500个，呈烧瓶形状，上段略细，称颈部，下段增粗，呈卵圆形，直径约12微米。细胞顶端发出很多静纤毛。从顶面观，毛排列呈弧形。外毛细胞呈细长圆柱状，直径约8微米。人类一侧耳蜗约有外毛细胞9000～12000个，每个外毛细胞顶面有静纤毛20～40根。从顶面观，毛排列呈规则的W型，开端朝向内侧。外毛细胞在底转有3排，中转有4排，顶转可能有5排。

人工耳蜗的工作原理

感音神经性耳聋

综上所述的人的听觉通路中，从外耳，中耳，内耳，到听神经中枢，这些部位若出现某些损伤，都有可能对人的听觉产生影响。在2013年人工耳蜗植入工作指南中，人工耳蜗植入主要用于治疗双耳重度或极重度感音神经性聋。

感音神经性的病变位于螺旋器的毛细胞、听神经或各级听中枢，对声音的感受与神经冲动的传导发生障碍，所引起的听力下降即为感音神经性。其中毛细胞病变引起者称感音性聋（耳蜗性聋或终器性聋）常有重振现象，病变位于听神经及其传导径路者称神经性（蜗后性聋或之后性聋），其特点为语言辨别率明显下降。病变发生于大脑皮层听中枢者称中枢性聋，常伴有其经神经系统症状。

大部分的患者，听觉神经部分是完好的，而位于内耳螺旋器中的毛细胞出现了损伤，即使基底膜振动，而毛细胞不存在，无法产生与声波相应频率的电位变化，也就没有神经冲动，听觉通路就此中断，导致了，补齐这个通路也就是人工耳蜗的使命。

人工耳蜗的发展和原理

早在1956年，美国豪斯医生在洛杉矶市立医院工作时，几个孩子的父母把他们带到豪斯医生诊所，但豪斯医生发现自己和同事们完全束手无策。不过此时，有位病人拿给豪斯医生一份剪报，上面介绍的是关于法国的Andre Djourno和Charles Eyriès医生在治疗一例患者时，将线圈放在患者的耳蜗神经处，使得患者听见了声音。这激发了豪斯医生的灵感，他决定开始研究用电流激活患者听觉神经的技术方法。他和工程师Jack Urban合作，协力开发出第一款可穿戴式的人工耳蜗，人类的人工耳蜗科技从这里开始起步！

人工耳蜗由植入体和外部声音处理器组成，声音处理器的麦克风接受外界声音信息，转换成数字信号，数字信号通过线圈被发送到植入体内，植入体将数字信号转换成电信号，由电极发出电刺激，刺激位于内耳的听神经（螺旋神经节细胞），从而构建起我们的听觉通路。

声音处理的技术短板

人工耳蜗的声音处理是由前端处理器麦克风收取言语信号，通过处理器滤波组来采样和提取，幅值映射，解码。最后实现将数字信号转成电信号，代替内耳毛细胞刺激听神经。

整个完整的声音处理环节中，决定最后的声音信号的完整性的，取决于这整个系统的最薄弱环节，硬件水平的局限也导致了声音感知的局限。这也就是那些植入人工耳蜗的孩子所听到的声音远远远没达到自然声音的原因， 而这一块短板正是电子神经瓶颈。这要求人工耳蜗的设计中，硬件中的每一项指标都要高至足以为未来留出足够的开发与升级的空间。