用光點亮聽覺

編譯 劉迪一

人類的聽力取決于內(nèi)耳中的一個蝸牛狀結(jié)構(gòu)，即耳蝸（cochlea）?，F(xiàn)在，一種新型光學(xué)人工耳蝸植入物被用于輔助聽力喪失者，其運作原理是通過光束刺激耳蝸神經(jīng)

“人工耳蝸可恢復(fù)自然聽力?！边@是一個流傳甚廣的誤解。事實上，這些工程奇跡給了人們一種新的“電聽覺”，他們必須學(xué)會如何使用它。

自然聽覺始于內(nèi)耳耳蝸中的微小結(jié)構(gòu)，即毛細胞受聲波撞擊產(chǎn)生的振動；機械振動緊接著轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)聽神經(jīng)傳向大腦。人工耳蝸繞過耳朵受損或功能失調(diào)的部分，使用電極直接刺激耳蝸神經(jīng)，將信號發(fā)送至大腦。當我的聽障患者第一次使用人工耳蝸時，他們經(jīng)常報告說聲音聽起來單調(diào)而機械化，而且會與背景噪音混合在一起，被后者淹沒。盡管用戶可與技術(shù)人員溝通，進行“調(diào)音”，并調(diào)整植入物的設(shè)置，以使聲音聽起來更悅耳和響亮，但當前技術(shù)所能實現(xiàn)的助聽效果相當有限。

我做了20多年的耳鼻喉科醫(yī)生。病人告訴我，他們想要更自然的聲音，想要享受音樂，最重要的是，他們想要更好地理解話語，尤其是在充滿背景噪音的環(huán)境下準確辨別目標信號，即所謂的雞尾酒會效應(yīng)：大腦能將聽覺注意力集中于特定刺激，同時過濾掉一系列背景噪音，例如雞尾酒會上的嘈雜人聲。過去15年間，我在德國哥廷根大學(xué)的團隊一直與弗賴堡大學(xué)及其他地區(qū)的同事合作，以一種非常違反常理的方式重構(gòu)人工耳蝸：選用精確的光束而非電流刺激耳蝸神經(jīng)。

我們認識到，當今的人工耳蝸已經(jīng)突破了工程學(xué)和人體生理學(xué)的嚴格限制。因此，我們正開發(fā)的一種新型人工耳蝸將基于光發(fā)射器和能響應(yīng)光的轉(zhuǎn)基因細胞，通過精確的光束而非電流刺激耳蝸神經(jīng)。我們期待光學(xué)耳蝸植入物能夠更好地復(fù)制聲音的完整頻譜特性，更好地模仿自然聽覺。我們的目標是于2026年開始臨床試驗，若一切順利，2030年這一設(shè)備便可獲得監(jiān)管部門批準。在那之后，全世界的聽障人士都能聽到光之聲。

小鼠耳朵解剖結(jié)構(gòu)的3D顯微圖像。圖中光學(xué)植入物（虛線）螺旋式穿過包含毛細胞的正常耳蝸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；失去聽覺的毛細胞出現(xiàn)丟失或損壞。左圖顯示毛細胞連接到耳蝸神經(jīng)細胞；中間和右邊的圖顯示這一致密排列方式被小鼠耳蝸的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)包裹

人工耳蝸的工作原理

世界衛(wèi)生組織稱，全球約有4.66億人存在可干預(yù)的殘疾性聽力損失。聽力損失主要是由疾病、噪音或年齡引起的耳蝸損傷導(dǎo)致，到目前為止，尚無完全治愈方法。助聽器可以幫助部分恢復(fù)聽力，其作用原理是為耳蝸剩余的感覺毛細胞提供放大后的聲音。人工耳蝸對聽力嚴重受損者幫助更大——人工耳蝸會跳過丟失或功能失調(diào)的毛細胞，直接刺激耳蝸或聽覺神經(jīng)。

當下的人工耳蝸是迄今為止最成功的神經(jīng)假體。第一款人工耳蝸設(shè)備于20世紀80年代獲得美國食品藥品管理局（FDA）的批準；到2019年，全球已植入近737 000個人工耳蝸。然而，它們對耳蝸內(nèi)可用于編碼聲音的神經(jīng)元的利用有限——要了解其中緣由，你需要先理解自然聽力的工作原理。

在功能正常的人耳中，聲波沿耳道向下傳播，使鼓膜振動，進而振動中耳內(nèi)微小骨骼結(jié)構(gòu)。這些骨骼將振動傳遞至內(nèi)耳的耳蝸，即前文圖示的一種豌豆大小的蝸牛狀結(jié)構(gòu)。在充滿液體的耳蝸內(nèi)部，有層膜會隨著聲波的振動而產(chǎn)生漣漪，這些漣漪能移動膜表面突出的感覺毛細胞束，進而觸發(fā)毛細胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)，使得耳蝸神經(jīng)的神經(jīng)元產(chǎn)生電信號。這些電信號編碼了聲音信號，沿著神經(jīng)傳播到大腦。無論它們編碼哪種聲音頻率，耳蝸神經(jīng)元都能以其電信號的頻率和時序來表示聲音強度：放電頻率可達幾百赫茲，時序方面的差異可精細至亞毫秒精度。

三種聆聽方式

在功能正常的人耳中，聲波沿耳道傳播并振動鼓膜和中耳的微小骨骼結(jié)構(gòu)，接著這些振動到達螺旋形的耳蝸并移動感覺毛細胞束。毛細胞做出反應(yīng)，觸發(fā)一個神經(jīng)信號，信號沿著耳蝸神經(jīng)傳播至大腦。耳蝸底部的毛細胞對高音有反應(yīng)，那些在頂部的毛細胞則響應(yīng)低音。

電子人工耳蝸的麥克風(fēng)、處理器和發(fā)射器都佩戴于耳后。處理器將聲音的頻率模式轉(zhuǎn)換成粗略的刺激模式，再傳送給植入的接收器，接著抵達螺旋式穿過耳蝸的電極陣列。數(shù)量有限的電極直接刺激耳蝸神經(jīng)細胞。但每個電脈沖都會擴散并刺激脫靶的神經(jīng)細胞，從而導(dǎo)致聲音更渾濁。

未來的光學(xué)人工耳蝸，其外部硬件保持不變，但處理器能夠把聲音分解成更窄的頻帶并通過更復(fù)雜的刺激模式進行傳輸。至于光源，無論是柔性微型 LED 陣列還是光纖，都將螺旋式穿過耳蝸，而且植入物會有更多的刺激位點，因為光比電流更容易被限制在空間里。用戶將接受基因治療，使耳蝸神經(jīng)細胞對光有反應(yīng)—由此觸發(fā)的精確信號沿著神經(jīng)傳播到大腦。

耳蝸不同部位的毛細胞可以對不同頻率的聲音做出反應(yīng)。螺旋形耳蝸底部的毛細胞能檢測高達約20千赫茲的高音，而螺旋形耳蝸頂部的毛細胞可響應(yīng)低至約20赫茲的聲音。耳蝸的頻率檢測體系可以被看作一個螺旋形的接收器陣列。人工耳蝸模仿此結(jié)構(gòu)，刺激耳蝸底部的神經(jīng)元來產(chǎn)生對高音的感知。

當下商業(yè)化人工耳蝸配有戴在頭上的麥克風(fēng)、處理器和發(fā)射器，以及植入的接收器和電極。電極插入耳蝸以直接刺激不同位置的神經(jīng)，其數(shù)量通常為12～24個；但是耳蝸內(nèi)的鹽水可導(dǎo)電，因此來自每個電極的電流會擴散開來，導(dǎo)致耳蝸頻率檢測體系里神經(jīng)元的廣泛激活。由于電刺激的頻率選擇性有限，所以人工聽覺的質(zhì)量也有限。聽覺的自然過程好比用手指彈鋼琴，毛細胞就是那靈巧手指，負責(zé)精確觸發(fā)耳蝸神經(jīng)上的琴鍵；常規(guī)人工耳蝸則更像是用拳頭敲鋼琴，馬虎又粗糙——更糟糕的是，這種大規(guī)模的刺激重疊限制了我們刺激聽覺神經(jīng)的方式，我們只能夠一次激活一個電極。

光遺傳學(xué)的工作原理

光學(xué)人工耳蝸的構(gòu)想始于2005年。當時我聽聞神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)一種名為光遺傳學(xué)（optogenetics）的新技術(shù)。德國研究人員最早發(fā)現(xiàn)藻類體內(nèi)含光敏蛋白。這些蛋白可以調(diào)節(jié)離子在細胞膜上的流動。此后，其他研究者開始嘗試獲取編碼此類蛋白質(zhì)的基因，并使用無害的病毒載體將它們插入神經(jīng)元。結(jié)果表明，對這些基因改造過的神經(jīng)元施以光照，可觸發(fā)其打開電壓門控性離子通道，實現(xiàn)細胞的激活。這種神經(jīng)元激活方式使得研究者能夠直接控制活體動物的大腦和行為。自那以后，光遺傳學(xué)成為神經(jīng)科學(xué)研究的重要工具，而臨床醫(yī)生也將其試驗于包括視力恢復(fù)和心臟起搏在內(nèi)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

長期以來，我一直對聲音如何編碼，以及它的出錯過程很感興趣。有次我突然想到，用光而不是電來刺激耳蝸神經(jīng)或許可提供更精確的控制，因為即便處于耳蝸的鹽水環(huán)境內(nèi)，光也能緊密聚焦。

我們?nèi)绻霉膺z傳學(xué)方法使得耳蝸神經(jīng)細胞對光敏感，就可用低能光束精確擊中目標，產(chǎn)生比電子耳蝸更精細的聽覺感知。理論上，我們可以在整個耳蝸中設(shè)置多達64或128個目標。聲音刺激可通過電子方法被分成更多離散頻帶，從而為用戶提供更豐富的聲音體驗。美國西北大學(xué)的克勞斯-彼得·里希特（Claus-Peter Richter）早些時候提出用高能紅外光直接刺激聽覺神經(jīng)，但他的概念并未得到其他實驗室的證實。

我們的構(gòu)想和方案令人興奮的同時，也面對諸多挑戰(zhàn)：一種新型植入式醫(yī)療設(shè)備，結(jié)合一種新型基因療法，二者都必須符合最高安全標準。我們需要確定在光遺傳學(xué)系統(tǒng)中使用的最佳光源，以及如何將其傳送到耳蝸內(nèi)恰當?shù)奈恢?。我們必須找到用于耳蝸神?jīng)細胞的合適的光敏蛋白，必須弄清楚如何最好地將編碼這些蛋白質(zhì)的基因遞送至耳蝸的正確位置。

近些年來我們?nèi)〉昧碎L足進步。2015年，歐洲研究委員會為我們的“OptoHear”項目提供資助。2019年，我們的子公司OptoGenTech致力于對設(shè)備進行商業(yè)化。

通道視紫紅質(zhì)、微型LED和光纖

作為早期概念驗證的小鼠實驗探索了在我們的任務(wù)中發(fā)揮作用的生物學(xué)機制和技術(shù)。尋找合適的光敏蛋白或通道視紫紅質(zhì)是一個漫長的過程。光遺傳學(xué)的許多早期研究都使用了通道視紫紅質(zhì)2（ChR2），它會打開一個離子通道以響應(yīng)藍光。我們在小鼠實驗里用到ChR2，以證明聽覺通路的光遺傳學(xué)刺激相比電刺激可提供更優(yōu)異的頻率選擇。

在我們繼續(xù)尋找最佳通道視紫紅質(zhì)的路途上，我們嘗試了來自馬克斯普朗克生物物理研究所的一個實驗室的ChR2變體——鈣轉(zhuǎn)運通道視紫紅質(zhì)（CatCh）。該實驗室的負責(zé)人恩斯特·班貝格（Ernst Bamberg）教授是光遺傳學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)之一。我們使用無害病毒作為載體將CatCh遞送至蒙古沙鼠的耳蝸神經(jīng)元，接著訓(xùn)練它們對聽覺刺激做出響應(yīng)，使其學(xué)會在聽到聲音時進行閃避，然后通過一種能殺死毛細胞的藥物致沙鼠耳聾，并給它們植入微型光學(xué)耳蝸，用以刺激光敏耳蝸神經(jīng)元。結(jié)果顯示，戴上光學(xué)耳蝸的耳聾沙鼠對這種光刺激做出了和對聽覺刺激一樣的反應(yīng)。

然而，CatCh的使用存在兩個問題。一方面，它需要藍光，而藍光的光毒性不容忽視。身體內(nèi)部的細胞通常處于黑暗之中，當被光線（尤其是高能藍光）直接照射，它們可能受損甚至死亡。另一方面，CatCh的重置過程很慢。體溫環(huán)境下的CatCh一旦被光激活，需要大約十幾毫秒方可關(guān)閉通道并為下一次激活做好準備。這個緩慢的動力學(xué)過程不支持精確定時的神經(jīng)元激活（可能需要每秒超過100個脈沖）——而這又是編碼聲音所必需的。許多人表示通道視紫紅質(zhì)的緩慢動力學(xué)特征使我們的探索沒有希望——即使我們獲得了光譜分辨率，也會失去時間分辨率。不過我們將這些懷疑視為動力，借此督促自己尋找更快速的通道視紫紅質(zhì)以及對紅光有反應(yīng)的離子通道。

光遺傳學(xué)領(lǐng)域先鋒之一、麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家愛德華·博伊登（Edward Boyden）的團隊發(fā)現(xiàn)了一種作用更快的通道視紫紅質(zhì)，并稱之為“Chronos”。聽聞此訊，我們倍感興奮。Chronos雖仍需藍光來激活，卻是迄今為止運作最快的通道視紫紅質(zhì)，在室溫下只需要大約3.6毫秒即可關(guān)閉通道；當身體溫度較高時，關(guān)閉所需時長更是只有1毫秒。這相當令人激動。不過讓Chronos在耳蝸里發(fā)揮作用需要一些額外技巧：我們必須使用強大的病毒載體和某些基因序列來改進編碼Chronos蛋白的基因向耳蝸神經(jīng)元細胞膜遞送的水平。借助這些技巧，單個神經(jīng)元和神經(jīng)元群能對頻率高達250赫茲甚至更高的光刺激做出強烈響應(yīng)，且具備優(yōu)異的時間精度。正因如此，Chronos可幫助我們獲得接近自然過程的神經(jīng)放電頻率，這意味著基于此設(shè)計的人工助聽器將同時擁有光譜分辨率和時間分辨率。當然，我們?nèi)孕枵业揭环N能在波長更長的光波下運作的超快速通道視紫紅質(zhì)。

這種由弗賴堡大學(xué)制造的柔性微型LED陣列纏繞于直徑1毫米的玻璃棒上。左右兩圖分別顯示該陣列的144個二極管的關(guān)閉狀態(tài)和以1毫安電流運行的狀態(tài)

我們與班貝格教授的團隊攜手迎接挑戰(zhàn)，圍繞由博伊登教授團隊首次介紹的Chrimson蛋白開展工作，這種通道視紫紅質(zhì)對橙色光刺激的反應(yīng)最強烈。關(guān)于Chrimson的工程實驗帶來的首個成果是“快速Chrimson”（f-Chrimson）和“極快速Chrimson”（vf-Chrimson）。我們驚喜地發(fā)現(xiàn)f-Chrimson令耳蝸神經(jīng)元得以可靠響應(yīng)高達200赫茲的高刺激頻率紅光。Vf-Chrimson速度更快，但在細胞里的表達不如f-Chrimson。截至目前，在耳蝸神經(jīng)元的高頻刺激方面，vf-Chrimson并未顯示出明顯強于f-Chrimson的優(yōu)勢。

另一方面，我們也在持續(xù)探索可觸發(fā)式光遺傳學(xué)細胞的植入光源。植入物必須足夠小巧以適應(yīng)耳蝸內(nèi)有限空間，又要兼具足以進行植入操作的硬度和足以順著耳蝸彎曲的柔韌度。它的外殼必須具有生物相容性且透明，還得牢固耐用，可使用幾十年。我當時在弗賴堡大學(xué)的合作者烏爾里?！な┩叽模║lrich Schwarz）和帕特里克·盧瑟（Patrick Ruther）首先開發(fā)了用于光學(xué)人工耳蝸的微型發(fā)光二極管（micro-LED）。

光學(xué)人工耳蝸的另一種設(shè)計可能是使用激光二極管作為光源，并將其與由柔性聚合物制成的光纖配對。激光二極管可安全封裝于耳蝸外，如圖所示的聚合物波導(dǎo)陣列蜿蜒進入耳蝸，將光傳遞給細胞

我們發(fā)現(xiàn)微型LED相當有用，因為它們是一種非常成熟的商業(yè)化技術(shù)，具備良好的功率效率。我們用微制造工藝制備而來的薄膜微型LED進行了幾次實驗，并證明其能在目標頻率范圍內(nèi)通過光遺傳學(xué)方法刺激耳蝸神經(jīng)。不過微型LED也存在缺點。一方面，我們很難在植入的微型LED周圍建立靈活、透明又耐用的密封結(jié)構(gòu)。此外，效率最高的微型LED會發(fā)出藍光，這就又引出了前文提及的光毒性問題。鑒于這些缺陷，我們也在尋找其他替代方案。

替代方案的思路是不把發(fā)光半導(dǎo)體直接放進耳蝸，而選擇將光源（例如激光二極管）放置于離耳蝸更遠的密封鈦外殼內(nèi)，借助光纖把光帶到耳蝸和光敏神經(jīng)元處。光纖必須具備生物相容性、耐用性和足以蜿蜒曲行于耳蝸的柔韌性——這對常規(guī)的玻璃纖維來說難度很大，柔性聚合物纖維倒是值得挖掘的選項，它可能擁有更符合光纖標準的機械性能，但到目前為止，尚未在光傳播效率方面達到媲美玻璃的水平。以光纖為媒介的替代方案可能存在效率缺陷，因為光線在從激光二極管傳至光纖，接著沿光纖傳輸并抵達耳蝸的過程中，會損失一部分。不過此類方法似乎頗有前景，因為它能確保光電元件安全密封，也有望便捷化柔性波導(dǎo)陣列的植入過程。

臨床試驗之路

當考慮將這些元件組裝成商業(yè)化醫(yī)療設(shè)備時，我們應(yīng)該先在現(xiàn)有人工耳蝸中尋找用得上的部件。與常規(guī)人工耳蝸配合使用的音頻處理器可以滿足我們的需求，我們只需要將信號分成數(shù)量更多、頻率范圍更小的通道。外部發(fā)射器和植入的接收器也可能類似現(xiàn)有技術(shù)，這將使我們的調(diào)控通路更易操作。光學(xué)耳蝸體系中真正新穎的部分——光刺激器和將通道視紫紅質(zhì)輸送至耳蝸的基因療法——則需要大量工作檢驗。

人工耳蝸植入術(shù)已非常成熟，通常最多只需幾個小時即可完成。為求簡便，我們希望光學(xué)耳蝸移植術(shù)的過程盡可能接近現(xiàn)有移植術(shù)。不過手術(shù)的關(guān)鍵部分完全不同：外科醫(yī)生不會把電極置入耳蝸，而是先用病毒載體將通道視紫紅質(zhì)的基因傳遞至耳蝸神經(jīng)細胞，再把光發(fā)射器植入耳蝸。

由于光遺傳學(xué)療法剛剛進入臨床試驗測試階段，因此關(guān)于如何使該技術(shù)在人類身上發(fā)揮最佳效用，仍存在不確定性。我們還在思考怎樣讓病毒載體將必要的基因準確傳遞給耳蝸內(nèi)神經(jīng)元。迄今為止，我們在實驗中使用的病毒載體是一種已被批準用于多種基因療法的無害的腺病毒相關(guān)病毒，我們正使用某些基因技術(shù)和局部給藥來實現(xiàn)準確靶向耳蝸神經(jīng)元。此外，我們已開始收集關(guān)于光遺傳學(xué)改變細胞穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)，以及它們是否需要重復(fù)注射通道視紫紅質(zhì)基因以保持其對光的高度響應(yīng)性。

我們的臨床試驗計劃雄心勃勃：團隊正努力確定植入設(shè)備的最終設(shè)計方案，也在開展針對動物的臨床前研究，以觀察光毒性問題并證明基本理念的有效性。我們的目標是于2026年開啟首次人體研究，嘗試確定最安全的基因治療劑量。我們希望到2028年啟動一項大型三期臨床試驗，以收集我們將用于監(jiān)管部門審批的數(shù)據(jù)。

在可以預(yù)見的未來，光束能為聽力嚴重損失或耳聾的人群帶去豐富的聲音背景。我們希望光學(xué)人工耳蝸能幫助他們從嘈雜的聲音中辨出目標信號，欣賞自己最愛歌曲的微妙處，抓取從鳥兒顫鳴聲到轟隆低音炮的各種聲音。我們認為這項技術(shù)有望照亮耳聾者的聽覺世界。

資料來源 IEEE Spectrum