仿生学:光学耳蜗植入改善听力

耳蜗植入物使有严重听力障碍的人在生活质量方面获得了很大的提高，包括理解口语和发展正常的语言能力。然而，背景噪音是有问题的;它们极大地削弱了人工耳蜗使用者对语言的理解能力。

托拜厄斯·莫泽领导的团队来自于听觉神经科学研究所和内耳实验室在大学医学中心Göttingen和听觉神经科学和光遗传学因此，德国灵长类动物中心-莱布尼茨灵长类动物研究所(DPZ)的实验室正在致力于改进耳蜗植入技术。科学家们想用基因工程让耳朵里的神经细胞对光敏感的方法，这样就可以用光而不是电流来刺激它们，就像目前的情况一样。通过使用光，科学家们希望能够更有选择性地刺激耳朵里的神经元。

现在，该团队在开发光学人工耳蜗方面迈出了重要的一步。在与一个由Tim Salditt领导的x射线物理学家团队的合作中，他们能够使用联合成像技术。Tim Salditt和Moser一样，也在卓越多尺度生物成像集群(MBExC) Göttingen进行研究x射线断层摄影术和荧光显微镜来创建啮齿动物和非人类灵长类动物耳蜗的详细图像。这为光学人工耳蜗的设计和材料一致性确定了重要的参数。此外，包括来自889合作研究中心的科学家在内的研究人员，成功地模拟了光在普通狨猴耳蜗中的传播。仿真结果表明，空间有限的听觉神经元光遗传刺激是可能的。因此，与迄今为止使用的电刺激相比，光刺激将导致更不同的听觉印象。

据世界卫生组织(WHO)最新估计，全球逾5%的人口(4.3亿人)正遭受听力损失和耳聋的影响。原因有很多:遗传因素、感染、慢性疾病、耳朵或头部的创伤、响亮的声音和噪音，还有药物的副作用。助听器和人工耳蜗仍然是恢复听力最常用的设备，全世界有70多万人在使用人工耳蜗。电子耳蜗植入物可以让严重失聪或听力较差的使用者在没有非语言暗示的情况下理解言语，例如在电话中。

然而，背景噪声严重损害了这种理解。即使是说话者通过改变音调或旋律传达的语言上的微妙之处，也无法通过传统的植入物获得。这主要是由于较差的频率和强度分辨率。电子耳蜗植入物通过12到24个电极的电流刺激耳朵里的神经细胞。然而，电流在耳蜗液中分布广泛，影响听觉质量。由于光可以聚焦，托拜厄斯·莫泽的团队设想的听觉神经元的光遗传刺激有望显著提高频率和强度分辨率。

光学人工耳蜗的发展是一项复杂的事业，涉及到从基本原理研究到临床应用的众多学科研究人员。其中一个因素是耳蜗的结构复杂，很难进行检查，甚至是通过成像因为它深深地嵌在颞骨中。然而，对耳蜗结构的详细了解对于耳聋创新疗法的发展至关重要。

研究人员依靠动物研究来开发基因治疗以及光学耳蜗植入，并测试其有效性和安全性。适合的动物模型包括啮齿动物，如小鼠、大鼠、沙鼠，以及随着研究的进展，非人灵长类动物。在DPZ，听觉神经科学和光遗传学实验室对常见的狨猴进行研究，它们的声音交流行为与人类相似。“对于(后期)临床前研究，耳蜗解剖学的详细知识是必要的。我们使用相衬x射线断层摄影术和光板荧光显微镜，以及两者的结合，来成像两种主要啮齿动物模型和普通狨猴的耳蜗结构，”该研究的第一作者丹尼尔·凯珀勒解释说。

“对于跨尺度和多模式成像，我们开发了特殊的仪器和方法，在我们的实验室和同步辐射，”合作伙伴Tim Salditt补充道，他是Göttingen大学x射线物理研究所的教授，领导了x射线断层扫描的研究团队。“通过这种方式，我们能够深入了解骨骼、组织和神经细胞的解剖结构。这些参数与专门为这些物种开发的植入物有关，”丹尼尔·凯珀勒说。

与获得的数据在不同的解剖cochleae,团队也能设计一个植入发射器普通狨猴和植入物被亚历山大·梅耶,然后插入一个经验丰富的耳朵、鼻子和喉咙的外科医生,哥廷根大学医学中心的方式类似于人类的手术。

此外，研究人员使用成像数据来模拟非人类灵长类动物耳蜗内的光学植入物发射器产生的光的传播。“我们的模拟表明听觉神经元的空间有限的光遗传激发，因此比先前的电刺激具有更高的频率选择性。根据这些计算，光学耳蜗植入能显著改善语音和音乐听力，”该研究的资深作者托拜厄斯·莫泽总结道。

研究结果发表在PNAS．