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精准!更灵敏的光遗传学人工耳蜗诞生,激活了狨猴特定区域的听觉神经元

2021-04-28 10:54 前瞻网   

 

耳蜗植入,使存在严重听力障碍的群体在生活质量方面获得很大的提高。然而,背景噪音大、对声波振幅及频率的分辨率较低等问题,会严重影响人工耳蜗使用者对语言的理解。

托拜厄斯·莫泽(Tobias Moser)领导的团队正在努力改进耳蜗植入物。科学家们想用基因工程的方法,让耳朵里的神经细胞对光敏感,这样它们就可以用光而不是电流来刺激这些细胞——科学家们期望,通过使用光,能够更有选择性地刺激耳朵里的神经元。

精准!更灵敏的光遗传学人工耳蜗诞生,激活了狨猴特定区域的听觉神经元

现在,该团队在开发光学人工耳蜗方面又迈出了重要的一步:他们与由Tim Salditt领导的X射线物理学家团队合作,能够使用X射线断层扫描和荧光显微镜相结合的成像技术来创建啮齿类动物和非人类灵长类动物耳蜗的详细图像。这决定了光学人工耳蜗植入物的设计和材料一致性的重要参数。

此外,研究人员还成功地模拟了光在普通绒猴(marmosets)耳蜗中的传播。仿真结果表明,空间有限的情况下,实现光遗传刺激听觉神经元也是可能的。因此,与目前使用的电刺激相比,光刺激会导致更有差异的听觉印象。该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,题为“Multiscale photonic imaging of the native and implanted cochlea”。

根据目前世界卫生组织(WHO)的估计,4.3亿人——超过世界人口的5%——正受到听力丧失和失聪的影响。背后原因有很多:遗传因素、感染、慢性疾病、耳部或头部创伤、巨大的声音和噪音,但也有药物的副作用。

助听器和电子耳蜗植入物仍然是恢复听力损失最常用的设备,世界上有超过70万人戴着电子耳蜗植入物。这种电子耳蜗植入物,可以让严重失聪或听力障碍的使用者,在没有非语言暗示的情况下理解语言,例如打电话。然而,背景噪音严重损害了这种理解。

即使是说话者通过改变音调或旋律来传达的语言微妙之处,也不能被传统的植入物所掌握。这主要是由于较差的频率和强度分辨率。

电耳蜗植入物通过电流从12个电极传输到24个电极来刺激耳朵里的神经细胞。然而,电流在耳蜗液中分布广泛,影响听力质量。由于光线可以聚焦,Tobias Moser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。

光学人工耳蜗的研制是一项复杂的工作,涉及到从基本原理研究到临床应用等各个学科。一个因素是耳蜗的复杂结构,即使通过成像也很难进行研究,因为它深嵌在颞骨中。然而,对耳蜗结构的详细了解对于创新耳聋治疗的发展是至关重要的。

研究人员依靠动物研究来开发基因疗法和光学耳蜗植入物,并测试它们的有效性和安全性。适合的动物模型包括啮齿类动物,如小鼠、大鼠、沙鼠,以及随着研究的进展,非人类灵长类动物。

莱布尼茨灵长类动物研究所(DPZ)觉神经科学和光遗传学实验室对普通狨猴(marmosets)进行研究,它们的声音交流行为类似于人类。研究者通过基因工程技术,改造了狨猴的听觉神经元,使其对光敏感。并且,在向猕猴耳中移植了含LED发射器的光学耳蜗后,研究团队成功用光激活了特定区域的听觉神经元。

“对于(后期)临床前研究,耳蜗解剖的详细知识是必要的。我们使用相衬X射线断层扫描和荧光显微镜,以及两者的结合,对主要啮齿动物模型和常见狨猴的耳蜗结构进行成像。”

“对于跨尺度和多模态成像,我们在我们的实验室和同步辐射下开发了特殊的仪器和方法,”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。这些参数与这些物种的植入物的发展有关。”

此外,研究人员利用成像数据,来模拟非人类灵长类动物耳蜗内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兴奋,因此比以前的电刺激频率选择性更高。根据这些计算,光学人工耳蜗植入能够显著改善人们的语言听力和音乐辨析度。”

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 3976DBC

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