211service.com
Att få döva öron att höra med ljus
Omkring 100 000 djupt döva hör nu med cochleaimplantat, som fungerar genom att stimulera hörselnerven med en sträng elektroder inopererade i innerörat. Även om enheterna gör det möjligt för många användare att enkelt konversera och använda telefoner, saknar de fortfarande normal hörsel. Nu undersöker forskare vid Northwestern University om laserbaserade implantat en dag skulle kunna överträffa dagens elektriska version.
Ljudeffekter: Ett optiskt cochleaimplantat skulle kringgå dessa hårceller i innerörat (ovan), som inte fungerar i många fall av djup dövhet. Optisk strålning skulle stimulera nervcellerna som normalt utlöses av rörelsen hos dessa mikroskopiska fibrer som svar på ljudvibrationer.
Däggdjursörat använder neurala avfyrningshastigheter som ett sätt att koda ljud. Som en del av ett projekt finansierat av National Institute for Deafness and Other Communication Disorders (NIDCD), Claus-Peter Richter och hans kollegor på Northwestern har visat att de kan kontrollera skjuthastigheter i hörselnerven hos djur med infraröd laserstrålning. De försöker nu fastställa att det är säkert att använda under långa perioder och att det kan manipulera neurala avfyrningshastigheter med tillräcklig precision för att skicka användbar information till hjärnan.
Med konventionella cochleaimplantat sprids elektriska signaler i den våta, salta miljön i kroppen och lerar signalen. Det gör det svårt att utlösa specifika populationer av nerver inuti snäckan. Ytterligare komplicerande saker, samtidiga pulser på olika platser smälter samman med varandra, vilket stimulerar snäckan överallt istället för på önskade platser.
Ingenjörer löser problemet genom att bara trigga en eller två av de 16 eller 24 elektroderna i innerörat åt gången. Det görs så snabbt att användaren har illusionen att alla elektroder avfyras, men resultatet är fortfarande en relativt grov simulering av normal hörsel. För många användare av cochleaimplantat låter röster mekaniska och musikljud tvättas ut.
En infraröd laser, å andra sidan, kan strålas mot nervfibrer med stor noggrannhet. Dessutom innebär laserljusets riktningsbeskaffenhet att optiska pulser på olika platser inte kommer att störa varandra. Den ökade precisionen av neural stimulering skulle få röster och musik att låta mer naturligt, och användare skulle lättare kunna konversera i bullriga miljöer.
Även om det ännu inte är klart varför infraröd strålning kan utlösa aktivitet i hörselnerverna, antar Richter att den värmer upp cellerna något, öppnar jonkanaler i cellväggarna och skickar en elektrisk signal längs neuronen.
En stor fråga är om det är säkert att stimulera nerver på detta sätt under långa perioder. Hittills har Richter och hans kollegor visat att hörselnerver hos sövda gerbiler kan stimuleras med infraröd laserstrålning i upp till sex timmar utan att skadas. För närvarande är det inte möjligt att köra testerna längre, men Richter planerar långtidsstudier på djur med permanent implanterade enheter.
Forskarna funderar också på hur man exakt kontrollerar neuronaktivitet med laser. Örat kodar tonhöjd och ljudstyrka inte bara genom att avfyra nerver på vissa ställen, utan också genom att modifiera Betygsätta som de skjuter mot. Hittills har Richter visat att laserstrålning på ett tillförlitligt sätt kan få neuroner att skjuta upp till 250 gånger per sekund, vilket är jämförbart med den hastighet med vilken konventionella cochleaimplantat av tidig modell driver neuroner.
Mänskliga försök är år bort, men det finns flera sätt på vilka infraröd teknik kan användas för att bygga ett fungerande cochleaimplantat. En är att använda fiberoptik istället för elektroder i en array som sätts in i snäckan, ungefär på samma sätt som konventionella cochleaimplantat nu använder elektroder. Tidiga försök med ett sådant system kan innebära att en eller två elektroder i ett konventionellt implantat ersätts med fiberoptik för att testa deras effekt. En annan är att sätta ett optiskt fiberknippe framför snäckans runda fönster för att stimulera hörselneuroner utan att öppna snäckan. (Det runda fönstret är ett tunt membran i snäckan som absorberar vätskeförskjutning när ljudvågor färdas genom den.)
En ännu mer futuristisk möjlighet är att använda genterapi för att få hörselneuroner att reagera på särskilda våglängder av ljus. Vid MIT, Ed Boyden har förändrat nervcellers gener så att de avfyras när de utsätts för en våglängd av ljus och slutar avfyra när de utsätts för en annan. Enligt Richter skulle detta tillvägagångssätt kräva mindre kraft för att aktivera celler, vilket kan vara säkrare i det långa loppet. Naturligtvis bär detta tillvägagångssätt alla varningar som vanligtvis följer med genterapi och skulle kräva ett sätt att exakt leverera genterapi till de relevanta hörselcellerna.
Om det visar sig vara säkert och effektivt, kan optisk stimulering öppna upp stimuleringsgränssnitt med ultrahög densitet för det perifera nervsystemet, säger Boyden. Processen att kombinera optik och neuroner kan också bana väg för många framtida innovationer - att gå bortom den allestädes närvarande elektroden till nya modaliteter för neural kontroll.