标签: 通道光学耳蜗

光刺激能够革新人工耳蜗的品质，帮助听障人士享受更好的生活质量。 光，能够专门用来刺激耳蜗神经细胞。 开姆尼茨理工大学实验传感器和光电学教授Uli Schwarz领导的研究组正在进行相关研究。他想让那些听力严重受损或失聪的人能够享受大多数人认为理所当然的东西—— 拥有更自然的听力，享受更多音乐的乐趣，在群体环境中更好地理解他人的言辞。 1 、 中间音调 当人耳中的耳蜗无法正常工作，将听觉信号转换为神经脉冲时，就会造成人耳听力丧失。这已经成为人们熟知的一种常见疾病，全球范围内可能影响着几亿人口。 目前的解决方案是电子人工耳蜗——利用电流触发耳蜗内的听觉神经引起神经冲动，神经冲动被传到大脑的听觉神经中枢产生听觉。当前市面上大多人工耳蜗产品的植入体电极数量在12~24个之间，主要特点是能最大程度上模拟正常情况下声音对耳蜗内听觉神经的触动。这种耳蜗让世界上大约70万人拥有了基本的听力和理解语言的能力。 可以说，人工耳蜗是最成功的人工电子器官之一。尽管如此，从工程学来说，电刺激人工耳蜗仍有两大缺陷： 有效通道数目受限： 目前人工耳蜗的效果还无法与健听聆听相比，其中电刺激听觉的频域解析能力受限是非常重要的因素之一，这也是目前电刺激人工耳蜗植入体电极研发的主要瓶颈。 电刺激干扰无法解决： 理论上，电流在内耳的传导会影响植入体电极周围的很多组织器官，电场引起反应的听觉神经范围比传统的声刺激要大，造成精准度下降，频率辨识度降低。尤其在加大电刺激量时，电刺激听觉之间的干扰会更严重。部分人工耳蜗植入者不能分辨不同电极刺激引起的听觉感受，说明相邻的电极会引起相似的听觉神经反应。 说直白一点，就是他们 无法区分不同的音高 。而且，如果有背景噪音，他们会很难理解其他人在说什么。因为虽然电刺激被直接传送到听觉神经，但它们在到达听觉神经时是没有任何区别的。 就这一缺陷，哥廷根大学听觉神经科学教授Tobias Moser有着非常形象的比拟：“对于植入了传统耳蜗的人来说，古典钢琴协奏曲听起来就像是钢琴家戴着手套或用手肘演奏的一样。”他力图做出改变，打开所有的中间音调。 2 、 以光代电 “电刺激的音高辨别能力很差。大量的细胞会同时受到刺激——而这些细胞实际上负责不同的频率。” Uli Schwarz说。这就是传统技术的局限性所在。因此， 对神经细胞进行空间选择性刺激或特定细胞刺激都不可行。 8个频率通道下的巴赫“Air” ,感光现象 ,1分钟 “相比之下，我们可以把光‘束’在一起，从而更加集中地刺激听觉神经。100个或更多可能的频率通道使得使用者可以欣赏到各种形式的音乐。” Uli Schwarz补充道。这就需要 一系列单独可控的光源，有选择性地刺激耳蜗的不同部分，每个部分对应不同的音高。 64个频率通道下的巴赫“Air” ,感光现象 ,1分钟 3 、 小巧柔韧、生物相容 光学刺激有显著的物理优势，但技术要求颇具挑战性。知名的内耳生理学研究者、人工耳蜗领域光遗传学顶尖专家Moser教授在寻找合适光源的过程中，联系上了Schwarz教授。 Schwarz教授自2001年开始就在艾迈斯欧司朗深入研究 LED 和激光二极管。 然而，薄膜技术和LED小型化的联合项目一般针对的是汽车大灯、电视和小型化显示器等领域的应用。 在小型化高功率LED常见技术路径的基础上，Uli Schwarz专注于更小的、可植入的解决方案。所有可用的LED都太大、太硬，无法大量植入耳蜗。必须开发Micro-LED，并将其结合到柔韧的基片上。“要想在耳朵里使用，它们必须非常小，具有柔韧性和生物相容性（不会引起人体排斥）。” Schwarz解释说。“由于只有微小的纽扣电池供电，它们还需要非常节能。而且需要非常快的声音通道，这样人们才可以定位来自不同方向的声音，比如传播时间仅相差毫秒的声音。”这是半导体发展中的一个未知领域。 4 、 光遗传学：光开关 2014年，第一个里程碑实现了。 微小的蓝色薄膜LED被集成在聚合物中，并嵌入到老鼠的耳朵中。但要想真正刺激听觉，就需要一个“光开关”。这一领域的研究被称为光遗传学。神经细胞天生对光线不敏感，因此如果要被光刺激，则需要对其进行适应。将光敏蛋白引入听觉神经细胞可以使其光敏，这样它们在受到刺激时就会发出神经脉冲。 5 、 研究里程碑：临床试验 该项目在生物医学和技术这两个研究领域都取得了巨大进展。Moser教授于2018年在哥廷根演示了内耳的光刺激。现在，他的研究团队已证明，对耳部神经细胞实行局部光刺激也是可行的，高频分辨能力已经与高时间精度成功结合。 “我们背后还有很多艰巨的研究工作。现在我们正在攻克人工耳蜗的技术难题。下一个里程碑是进行人工耳蜗的临床试验。” Schwarz说。 由于人工耳蜗通常在出生一年后植入，它们必须像起搏器一样在人体内终生发挥作用。因此，研究小组正致力于对光源进行密封封装，并减少内耳中材料的数量。使用红光代替蓝光是因为红光能更好、更温和地刺激细胞。 为了支付巨额开发成本，Moser和Schwarz领导的研究团队于2019年创立了OptoGenTech公司，旨在开发、生产和销售多通道光学刺激器。 2020年，该研究团队经过不懈努力再次助力光学人造耳蜗向商业化进程迈进。 团队通过对小鼠的耳蜗3D结构进行X射线断层扫描技术获得了光学耳蜗植入物的三维模型数据，并使用该三维数据设计制造了Micro-LED 16通道光学耳蜗植入物，并将其用于在啮齿动物中表达通道视紫红质（ChR）的SGNs的光刺激。希望以光学激活的方式使沙鼠的听神经产生光敏性并诱发神经反应。 这项研究证实了基于Micro-LED多通道光学CI系统具有改善的频谱选择性的听力恢复并再次证明了其可行性。 尽管该设备在临床试验开始之前还有待进一步完善，在技术端仍需要不断迭代。例如Schwarz说：“我们需要柔性电子元件，同样，我们也需要用于医疗用品的柔性光电元件。”然而，基于半导体的人工耳蜗，以及Moser和Schwarz的设想有望成为现实：利用光使聋人和听障人士享受音乐，并以全新的方式参与到社会生活的各个方面。