基因治疗和光电学可从根本上提升数百万人的听力。
人类的听力取决于内耳中的一个蜗牛状结构，即耳蜗（cochlea）。现在，一种新型光学人工耳蜗植入物被用于辅助听力丧失者，其运作原理是通过光束刺激耳蜗神经
“人工耳蜗可恢复自然听力。”这是一个流传甚广的误解。事实上，这些工程奇迹给了人们一种新的“电听觉”，他们必须学会如何使用它。
自然听觉始于内耳耳蜗中的微小结构，即毛细胞受声波撞击产生的振动；机械振动紧接着转化为电信号，经听神经传向大脑。人工耳蜗绕过耳朵受损或功能失调的部分，使用电极直接刺激耳蜗神经，将信号发送至大脑。当我的听障患者第一次使用人工耳蜗时，他们经常报告说声音听起来单调而机械化，而且会与背景噪音混合在一起，被后者淹没。尽管用户可与技术人员沟通，进行“调音”，并调整植入物的设置，以使声音听起来更悦耳和响亮，但当前技术所能实现的助听效果相当有限。
我做了20多年的耳鼻喉科医生。病人告诉我，他们想要更自然的声音，想要享受音乐，最重要的是，他们想要更好地理解话语，尤其是在充满背景噪音的环境下准确辨别目标信号，即所谓的鸡尾酒会效应：大脑能将听觉注意力集中于特定刺激，同时过滤掉一系列背景噪音，例如鸡尾酒会上的嘈杂人声。过去15年间，我在德国哥廷根大学的团队一直与弗赖堡大学及其他地区的同事合作，以一种非常违反常理的方式重构人工耳蜗：选用精确的光束而非电流刺激耳蜗神经。
我们认识到，当今的人工耳蜗已经突破了工程学和人体生理学的严格限制。因此，我们正开发的一种新型人工耳蜗将基于光发射器和能响应光的转基因细胞，通过精确的光束而非电流刺激耳蜗神经。我们期待光学耳蜗植入物能够更好地复制声音的完整频谱特性，更好地模仿自然听觉。我们的目标是于2026年开始临床试验，若一切顺利，2030年这一设备便可获得监管部门批准。在那之后，全世界的听障人士都能听到光之声。
小鼠耳朵解剖结构的3D显微图像。图中光学植入物（虚线）螺旋式穿过包含毛细胞的正常耳蜗的复杂结构；失去听觉的毛细胞出现丢失或损坏。左图显示毛细胞连接到耳蜗神经细胞；中间和右边的图显示这一致密排列方式被小鼠耳蜗的骨质结构包裹
人工耳蜗的工作原理
世界卫生组织称，全球约有4.66亿人存在可干预的残疾性听力损失。听力损失主要是由疾病、噪音或年龄引起的耳蜗损伤导致，到目前为止，尚无完全治愈方法。助听器可以帮助部分恢复听力，其作用原理是为耳蜗剩余的感觉毛细胞提供放大后的声音。人工耳蜗对听力严重受损者帮助更大——人工耳蜗会跳过丢失或功能失调的毛细胞，直接刺激耳蜗或听觉神经。
当下的人工耳蜗是迄今为止最成功的神经假体。第一款人工耳蜗设备于20世纪80年代获得美国食品药品管理局（FDA）的批准；到2019年，全球已植入近737 000个人工耳蜗。然而，它们对耳蜗内可用于编码声音的神经元的利用有限——要了解其中缘由，你需要先理解自然听力的工作原理。
在功能正常的人耳中，声波沿耳道向下传播，使鼓膜振动，进而振动中耳内微小骨骼结构。这些骨骼将振动传递至内耳的耳蜗，即前文图示的一种豌豆大小的蜗牛状结构。在充满液体的耳蜗内部，有层膜会随着声波的振动而产生涟漪，这些涟漪能移动膜表面突出的感觉毛细胞束，进而触发毛细胞释放神经递质，使得耳蜗神经的神经元产生电信号。这些电信号编码了声音信号，沿着神经传播到大脑。无论它们编码哪种声音频率，耳蜗神经元都能以其电信号的频率和时序来表示声音强度：放电频率可达几百赫兹，时序方面的差异可精细至亚毫秒精度。
耳蜗不同部位的毛细胞可以对不同频率的声音做出反应。螺旋形耳蜗底部的毛细胞能检测高达约20千赫兹的高音，而螺旋形耳蜗顶部的毛细胞可响应低至约20赫兹的声音。耳蜗的频率检测体系可以被看作一个螺旋形的接收器阵列。人工耳蜗模仿此结构，刺激耳蜗底部的神经元来产生对高音的感知。
当下商业化人工耳蜗配有戴在头上的麦克风、处理器和发射器，以及植入的接收器和电极。电极插入耳蜗以直接刺激不同位置的神经，其数量通常为12～24个；但是耳蜗内的盐水可导电，因此来自每个电极的电流会扩散开来，导致耳蜗频率检测体系里神经元的广泛激活。由于电刺激的频率选择性有限，所以人工听觉的质量也有限。听觉的自然过程好比用手指弹钢琴，毛细胞就是那灵巧手指，负责精确触发耳蜗神经上的琴键；常规人工耳蜗则更像是用拳头敲钢琴，马虎又粗糙——更糟糕的是，这种大规模的刺激重叠限制了我们刺激听觉神经的方式，我们只能够一次激活一个电极。
三种聆听方式
在功能正常的人耳中，声波沿耳道传播并振动鼓膜和中耳的微小骨骼结构，接着这些振动到达螺旋形的耳蜗并移动感觉毛细胞束。毛细胞做出反应，触发一个神经信号，信号沿着耳蜗神经传播至大脑。耳蜗底部的毛细胞对高音有反应，那些在顶部的毛细胞则响应低音。
电子人工耳蜗的麦克风、处理器和发射器都佩戴于耳后。处理器将声音的频率模式转换成粗略的刺激模式，再传送给植入的接收器，接着抵达螺旋式穿过耳蜗的电极阵列。数量有限的电极直接刺激耳蜗神经细胞。但每个电脉冲都会扩散并刺激脱靶的神经细胞，从而导致声音更浑浊。
未来的光学人工耳蜗，其外部硬件保持不变，但处理器能够把声音分解成更窄的频带并通过更复杂的刺激模式进行传输。至于光源，无论是柔性微型LED阵列还是光纤，都将螺旋式穿过耳蜗，而且植入物会有更多的刺激位点，因为光比电流更容易被限制在空间里。用户将接受基因治疗，使耳蜗神经细胞对光有反应?由此触发的精确信号沿着神经传播到大脑。
光遗传学的工作原理
光学人工耳蜗的构想始于2005年。当时我听闻神经科学领域出现一种名为光遗传学（optogenetics）的新技术。德国研究人员最早发现藻类体内含光敏蛋白。这些蛋白可以调节离子在细胞膜上的流动。此后，其他研究者开始尝试获取编码此类蛋白质的基因，并使用无害的病毒载体将它们插入神经元。结果表明，对这些基因改造过的神经元施以光照，可触发其打开电压门控性离子通道，实现细胞的激活。这种神经元激活方式使得研究者能够直接控制活体动物的大脑和行为。自那以后，光遗传学成为神经科学研究的重要工具，而临床医生也将其试验于包括视力恢复和心脏起搏在内的医学应用。
长期以来，我一直对声音如何编码，以及它的出错过程很感兴趣。有次我突然想到，用光而不是电来刺激耳蜗神经或许可提供更精确的控制，因为即便处于耳蜗的盐水环境内，光也能紧密聚焦。
我们如果用光遗传学方法使得耳蜗神经细胞对光敏感，就可用低能光束精确击中目标，产生比电子耳蜗更精细的听觉感知。理论上，我们可以在整个耳蜗中设置多达64或128个目标。声音刺激可通过电子方法被分成更多离散频带，从而为用户提供更丰富的声音体验。美国西北大学的克劳斯-彼得?里希特（Claus-Peter Richter）早些时候提出用高能红外光直接刺激听觉神经，但他的概念并未得到其他实验室的证实。
我们的构想和方案令人兴奋的同时，也面对诸多挑战：一种新型植入式医疗设备，结合一种新型基因疗法，二者都必须符合最高安全标准。我们需要确定在光遗传学系统中使用的最佳光源，以及如何将其传送到耳蜗内恰当的位置。我们必须找到用于耳蜗神经细胞的合适的光敏蛋白，必须弄清楚如何最好地将编码这些蛋白质的基因递送至耳蜗的正确位置。
近些年来我们取得了长足进步。2015年，欧洲研究委员会为我们的“OptoHear”项目提供资助。2019年，我们的子公司OptoGenTech致力于对设备进行商业化。
通道视紫红质、微型LED和光纤
作为早期概念验证的小鼠实验探索了在我们的任务中发挥作用的生物学机制和技术。寻找合适的光敏蛋白或通道视紫红质是一个漫长的过程。光遗传学的许多早期研究都使用了通道视紫红质2（ChR2），它会打开一个离子通道以响应蓝光。我们在小鼠实验里用到ChR2，以证明听觉通路的光遗传学刺激相比电刺激可提供更优异的频率选择。
在我们继续寻找最佳通道视紫红质的路途上，我们尝试了来自马克斯普朗克生物物理研究所的一个实验室的ChR2变体——钙转运通道视紫红质（CatCh）。该实验室的负责人恩斯特 · 班贝格（Ernst Bamberg）教授是光遗传学领域的先驱之一。我们使用无害病毒作为载体将CatCh递送至蒙古沙鼠的耳蜗神经元，接着训练它们对听觉刺激做出响应，使其学会在听到声音时进行闪避，然后通过一种能杀死毛细胞的药物致沙鼠耳聋，并给它们植入微型光学耳蜗，用以刺激光敏耳蜗神经元。结果显示，戴上光学耳蜗的耳聋沙鼠对这种光刺激做出了和对听觉刺激一样的反应。
然而，CatCh的使用存在两个问题。一方面，它需要蓝光，而蓝光的光毒性不容忽视。身体内部的细胞通常处于黑暗之中，当被光线（尤其是高能蓝光）直接照射，它们可能受损甚至死亡。另一方面，CatCh的重置过程很慢。体温环境下的CatCh一旦被光激活，需要大约十几毫秒方可关闭通道并为下一次激活做好准备。这个缓慢的动力学过程不支持精确定时的神经元激活（可能需要每秒超过100个脉冲）——而这又是编码声音所必需的。许多人表示通道视紫红质的缓慢动力学特征使我们的探索没有希望——即使我们获得了光谱分辨率，也会失去时间分辨率。不过我们将这些怀疑视为动力，借此督促自己寻找更快速的通道视紫红质以及对红光有反应的离子通道。
光遗传学领域先锋之一、麻省理工学院神经科学家爱德华 · 博伊登（Edward Boyden）的团队发现了一种作用更快的通道视紫红质，并称之为“Chronos”。听闻此讯，我们倍感兴奋。Chronos虽仍需蓝光来激活，却是迄今为止运作最快的通道视紫红质，在室温下只需要大约3.6毫秒即可关闭通道；当身体温度较高时，关闭所需时长更是只有1毫秒。这相当令人激动。不过让Chronos在耳蜗里发挥作用需要一些额外技巧：我们必须使用强大的病毒载体和某些基因序列来改进编码Chronos蛋白的基因向耳蜗神经元细胞膜递送的水平。借助这些技巧，单个神经元和神经元群能对频率高达250赫兹甚至更高的光刺激做出强烈响应，且具备优异的时间精度。正因如此，Chronos可帮助我们获得接近自然过程的神经放电频率，这意味着基于此设计的人工助听器将同时拥有光谱分辨率和时间分辨率。当然，我们仍需找到一种能在波长更长的光波下运作的超快速通道视紫红质。
这种由弗赖堡大学制造的柔性微型LED阵列缠绕于直径1毫米的玻璃棒上。左右两图分别显示该阵列的144个二极管的关闭状态和以1毫安电流运行的状态
我们与班贝格教授的团队携手迎接挑战，围绕由博伊登教授团队首次介绍的Chrimson蛋白开展工作，这种通道视紫红质对橙色光刺激的反应最强烈。关于Chrimson的工程实验带来的首个成果是“快速Chrimson”（f-Chrimson）和“极快速Chrimson”（vf-Chrimson）。我们惊喜地发现f-Chrimson令耳蜗神经元得以可靠响应高达200赫兹的高刺激频率红光。Vf-Chrimson速度更快，但在细胞里的表达不如f-Chrimson。截至目前，在耳蜗神经元的高频刺激方面，vf-Chrimson并未显示出明显强于f-Chrimson的优势。
另一方面，我们也在持续探索可触发式光遗传学细胞的植入光源。植入物必须足够小巧以适应耳蜗内有限空间，又要兼具足以进行植入操作的硬度和足以顺着耳蜗弯曲的柔韧度。它的外壳必须具有生物相容性且透明，还得牢固耐用，可使用几十年。我当时在弗赖堡大学的合作者乌尔里希 · 施瓦茨（Ulrich Schwarz）和帕特里克 · 卢瑟（Patrick Ruther）首先开发了用于光学人工耳蜗的微型发光二极管（micro-LED）。
我们发现微型LED相当有用，因为它们是一种非常成熟的商业化技术，具备良好的功率效率。我们用微制造工艺制备而来的薄膜微型LED进行了几次实验，并证明其能在目标频率范围内通过光遗传学方法刺激耳蜗神经。不过微型LED也存在缺点。一方面，我们很难在植入的微型LED周围建立灵活、透明又耐用的密封结构。此外，效率最高的微型LED会发出蓝光，这就又引出了前文提及的光毒性问题。鉴于这些缺陷，我们也在寻找其他替代方案。
光学人工耳蜗的另一种设计可能是使用激光二极管作为光源，并将其与由柔性聚合物制成的光纤配对。激光二极管可安全封装于耳蜗外，如图所示的聚合物波导阵列蜿蜒进入耳蜗，将光传递给细胞
替代方案的思路是不把发光半导体直接放进耳蜗，而选择将光源（例如激光二极管）放置于离耳蜗更远的密封钛外壳内，借助光纤把光带到耳蜗和光敏神经元处。光纤必须具备生物相容性、耐用性和足以蜿蜒曲行于耳蜗的柔韧性——这对常规的玻璃纤维来说难度很大，柔性聚合物纤维倒是值得挖掘的选项，它可能拥有更符合光纤标准的机械性能，但到目前为止，尚未在光传播效率方面达到媲美玻璃的水平。以光纤为媒介的替代方案可能存在效率缺陷，因为光线在从激光二极管传至光纤，接着沿光纤传输并抵达耳蜗的过程中，会损失一部分。不过此类方法似乎颇有前景，因为它能确保光电元件安全密封，也有望便捷化柔性波导阵列的植入过程。
临床试验之路
当考虑将这些元件组装成商业化医疗设备时，我们应该先在现有人工耳蜗中寻找用得上的部件。与常规人工耳蜗配合使用的音频处理器可以满足我们的需求，我们只需要将信号分成数量更多、频率范围更小的通道。外部发射器和植入的接收器也可能类似现有技术，这将使我们的调控通路更易操作。光学耳蜗体系中真正新颖的部分——光刺激器和将通道视紫红质输送至耳蜗的基因疗法——则需要大量工作检验。
人工耳蜗植入术已非常成熟，通常最多只需几个小时即可完成。为求简便，我们希望光学耳蜗移植术的过程尽可能接近现有移植术。不过手术的关键部分完全不同：外科医生不会把电极置入耳蜗，而是先用病毒载体将通道视紫红质的基因传递至耳蜗神经细胞，再把光发射器植入耳蜗。
由于光遗传学疗法刚刚进入临床试验测试阶段，因此关于如何使该技术在人类身上发挥最佳效用，仍存在不确定性。我们还在思考怎样让病毒载体将必要的基因准确传递给耳蜗内神经元。迄今为止，我们在实验中使用的病毒载体是一种已被批准用于多种基因疗法的无害的腺病毒相关病毒，我们正使用某些基因技术和局部给药来实现准确靶向耳蜗神经元。此外，我们已开始收集关于光遗传学改变细胞稳定性的数据，以及它们是否需要重复注射通道视紫红质基因以保持其对光的高度响应性。
我们的临床试验计划雄心勃勃：团队正努力确定植入设备的最终设计方案，也在开展针对动物的临床前研究，以观察光毒性问题并证明基本理念的有效性。我们的目标是于2026年开启首次人体研究，尝试确定最安全的基因治疗剂量。我们希望到2028年启动一项大型三期临床试验，以收集我们将用于监管部门审批的数据。
在可以预见的未来，光束能为听力严重损失或耳聋的人群带去丰富的声音背景。我们希望光学人工耳蜗能帮助他们从嘈杂的声音中辨出目标信号，欣赏自己最爱歌曲的微妙处，抓取从鸟儿颤鸣声到轰隆低音炮的各种声音。我们认为这项技术有望照亮耳聋者的听觉世界。
资料来源 IEEE Spectrum
———————
本文作者托比亚斯 · 莫塞尔（Tobias Moser）是德国乔治-奥古斯都-哥廷根大学的神经学家和耳鼻喉科医生。他领导了大学医学中心的听觉神经科学研究所，以及德国灵长类中心和马克斯普朗克多学科科学研究所的研究小组。他的主要研究领域是听觉信息的突触编码和处理，以及光遗传耳蜗植入等听力恢复的创新方法