Sprawianie, że uszy niesłyszące słyszą światłem

Około 100 000 osób o głębokim słyszeniu słyszy obecnie implanty ślimakowe, których działanie polega na stymulacji nerwu słuchowego za pomocą szeregu elektrod wszczepionych do ucha wewnętrznego. Chociaż urządzenia te umożliwiają wielu użytkownikom łatwe prowadzenie rozmów i korzystanie z telefonów, nadal nie są w stanie przywrócić normalnego słuchu. Teraz naukowcy z Northwestern University badają, czy implanty laserowe mogą pewnego dnia przewyższyć dzisiejszą wersję elektryczną.

Efekty dźwiękowe: Optyczny implant ślimakowy omijałby te komórki rzęsate ucha wewnętrznego (powyżej), które nie działają w wielu przypadkach głębokiej głuchoty. Promieniowanie optyczne stymulowałoby neurony, które normalnie są wyzwalane przez ruch tych mikroskopijnych włókien w odpowiedzi na wibracje dźwięku.

Ucho ssaków wykorzystuje szybkość odpalania neuronów jako jeden ze sposobów kodowania dźwięku. W ramach projektu finansowanego przez Narodowy Instytut Głuchoty i Innych Zaburzeń Komunikacyjnych (NIDCD), Claus-Peter Richter a jego koledzy z Northwestern wykazali, że mogą kontrolować szybkość wypalania w nerwie słuchowym zwierząt za pomocą podczerwonego promieniowania laserowego. Teraz próbują ustalić, czy jest bezpieczny w użyciu przez długi czas i że może manipulować szybkością wyzwalania neuronów z wystarczającą precyzją, aby przesyłać przydatne informacje do mózgu.

W przypadku konwencjonalnych implantów ślimakowych sygnały elektryczne rozprzestrzeniają się w wilgotnym, zasolonym środowisku ciała, zaciemniając sygnał. Utrudnia to wyzwolenie określonych populacji nerwów w ślimaku. Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, że jednoczesne impulsy w różnych miejscach łączą się ze sobą, stymulując ślimak wszędzie zamiast w pożądanych miejscach.

Inżynierowie obchodzą ten problem, uruchamiając jednocześnie tylko jedną lub dwie z 16 lub 24 elektrod w uchu wewnętrznym. Odbywa się to tak szybko, że użytkownik ma złudzenie, że wszystkie elektrody świecą, ale rezultatem jest wciąż stosunkowo prymitywna symulacja normalnego słyszenia. Dla wielu użytkowników implantów ślimakowych głosy brzmią mechanicznie, a muzyka wymyta.

Z drugiej strony, laser na podczerwień może być skierowany na włókna nerwowe z precyzyjną dokładnością. Ponadto kierunkowy charakter światła laserowego oznacza, że ​​impulsy optyczne w różnych miejscach nie będą się wzajemnie zakłócać. Zwiększona precyzja stymulacji neuronowej sprawiłaby, że głosy i muzyka brzmiałyby bardziej naturalnie, a użytkownicy mogliby łatwiej rozmawiać w hałaśliwym otoczeniu.

Chociaż nie jest jeszcze jasne, dlaczego promieniowanie podczerwone może wyzwalać aktywność nerwów słuchowych, Richter stawia hipotezę, że nieznacznie podgrzewa komórki, otwierając kanały jonowe w ścianach komórkowych i wysyłając sygnał elektryczny wzdłuż długości neuronu.

Głównym pytaniem jest, czy w ten sposób można bezpiecznie stymulować nerwy przez długi czas. Jak dotąd Richter i jego koledzy wykazali, że nerwy słuchowe u znieczulonych myszoskoczków można stymulować promieniowaniem podczerwonym lasera przez maksymalnie sześć godzin bez uszkodzenia. Obecnie prowadzenie testów na dłużej nie jest możliwe, ale Richter planuje długoterminowe badania na zwierzętach z urządzeniami wszczepionymi na stałe.

Naukowcy zastanawiają się również, jak precyzyjnie kontrolować aktywność neuronów za pomocą laserów. Ucho koduje wysokość i głośność nie tylko poprzez rozpalanie nerwów w określonych miejscach, ale także poprzez modyfikowanie wskaźnik w którym strzelają. Jak dotąd Richter wykazał, że promieniowanie laserowe może niezawodnie wywołać aktywację neuronów do 250 razy na sekundę, co jest porównywalne z szybkością, z jaką wczesne modele konwencjonalnych implantów ślimakowych napędzają neurony.

Próby na ludziach trwają wiele lat, ale istnieje kilka sposobów wykorzystania technologii podczerwieni do zbudowania działającego implantu ślimakowego. Jednym z nich jest użycie światłowodów zamiast elektrod w układzie umieszczonym wewnątrz ślimaka, nieco podobnie do sposobu, w jaki konwencjonalne implanty ślimakowe wykorzystują teraz elektrody. Wczesne próby takiego systemu mogą obejmować wymianę jednej lub dwóch elektrod konwencjonalnego implantu na światłowody w celu przetestowania ich działania. Innym jest umieszczenie wiązki światłowodów przed okrągłym okienkiem ślimaka, aby stymulować neurony słuchowe bez otwierania ślimaka. (Okienko to cienka membrana w ślimaku, która pochłania przemieszczanie się płynu podczas przechodzenia przez nie fal dźwiękowych).

Jeszcze bardziej futurystyczną możliwością jest zastosowanie terapii genowej, aby neurony słuchowe reagowały na określone długości fal światła. W MIT, Ed Boyden zmienia geny komórek nerwowych tak, że aktywują się pod wpływem jednej długości fali światła i przestają strzelać pod wpływem innej. Według Richtera takie podejście wymagałoby mniejszej mocy do aktywacji komórek, co może być bezpieczniejsze na dłuższą metę. Oczywiście to podejście niesie ze sobą wszystkie zastrzeżenia, które zwykle towarzyszą terapii genowej i wymagałoby sposobu na precyzyjne dostarczenie terapii genowej do odpowiednich komórek słuchowych.

Jeśli okaże się, że jest bezpieczna i skuteczna, stymulacja optyczna może otworzyć interfejsy stymulacji o ultrawysokiej gęstości dla obwodowego układu nerwowego, mówi Boyden. Proces łączenia optyki i neuronów może również utorować drogę wielu przyszłym innowacjom - wykroczeniu poza wszechobecną elektrodę ku nowym modalnościom kontroli neuronowej.

ukryć