仿生医学:改进人工耳蜗植入

听力正常的人是通过位于大脑内部的毛细胞来感知声音的耳蜗即内耳中充满液体的中空部分。这些毛细胞将声波振动转化为听觉神经脉冲，然后传递到大脑，在那里产生听觉感觉。

几十年来，在耳蜗植入的帮助下，已经有可能使耳聋或听力严重丧失的人的听力恢复到惊人的高水平。这种植入物使用外部麦克风从空气中捕捉声音信息，并将其传输到植入电极上。这些电极直接用电脉冲刺激内耳的听觉神经纤维，这样患者就能再次感知声音。

内耳的特殊结构使耳蜗中不同位置的毛细胞对不同音高敏感。我们将停靠神经传递的脉冲感知为具有相应音高的音调。电极人工耳蜗植入也位于耳蜗的不同位置。当特定音调的声音到达植入物的麦克风时，一个特定的电极会发出电信号。

然而，一个电极不仅激活它附近的神经纤维，而且随着电流在充满盐水的内耳中广泛传播，它还激活耳蜗更偏远区域的神经纤维。因此，人工耳蜗使用者无法区分彼此距离过近的电极接触所产生的脉冲。这限制了实际植入物中有用的电极接触的数量。

计算机模型显示了信号的传播

了解电极接触的最佳位置需要了解单个电极的信号是如何激活神经纤维的。Werner Hemmert是慕尼黑工业大学的生物启发信息处理教授，他的工作小组的研究人员已经向这个目标迈进了一大步。他们开发了一个复杂的计算机模型，可以精确地计算出内耳中电信号的传播。

首先，该团队与大学附属医院TUM Klinikum rechts der Isar的同事们一起，使用高分辨率计算机断层扫描技术创建了包含耳蜗的骨骼的三维再现。“图像还显示了听觉神经纤维束通过的细孔，”Siwei Bai解释道，他是Hemmert研究小组的博士后研究员，也是这项研究的第一作者。利用该小组开发的一种算法，这些孔隙的三维微观结构可以用来重建单个神经纤维的路径，从耳蜗穿过骨骼，一直到大脑。“神经纤维对植入物的电信号的反应是不均匀的，这让我们感到惊讶:有些神经纤维非常敏感，几乎所有的电极都很容易激活。另一些则不那么敏感，主要受离他们最近的电极刺激。”“这是由于细微的解剖学差异和听觉神经纤维的准确轨迹造成的。”因此，一般来说，不能假设一个给定的电极对其邻近的神经纤维比对更远处的神经纤维有更强的作用。到目前为止，研究人员已经建立了径向对称模型，预测听觉神经纤维的敏感性随着距离电极的距离而均匀衰减。然而，新的发现表明，从不规则骨和听神经纤维的精确表征开始是多么重要。

下一步，研究人员计划在他们的模型中加入单个神经纤维的精确结构。然后，他们将能够准确地确定电脉冲刺激神经纤维的位置，以及脉冲是如何沿着神经纤维传播的。Hemmert总结说:“所有这些结果将用于开发新的植入物，这将提高刺激的质量，提高语言理解能力，最终也将提高患者的生活质量。”