Få døve ører til at høre med lys

Omkring 100.000 dybt døve hører nu med cochleaimplantater, som virker ved at stimulere hørenerven med en streng af elektroder implanteret i det indre øre. Selvom enhederne gør det muligt for mange brugere at tale let og bruge telefoner, mangler de stadig at genoprette normal hørelse. Nu undersøger forskere ved Northwestern University, om laserbaserede implantater en dag kan overgå dagens elektriske version.

Lydeffekter: Et optisk cochleaimplantat ville omgå disse hårceller i det indre øre (ovenfor), som er ikke-funktionelle i mange tilfælde af dyb døvhed. Optisk stråling ville stimulere de neuroner, der normalt udløses af bevægelsen af ​​disse mikroskopiske fibre som reaktion på lydvibrationer.

Pattedyrets øre bruger neurale affyringshastigheder som en måde at kode lyd på. Som en del af et projekt finansieret af National Institute for Deafness and Other Communication Disorders (NIDCD), Claus-Peter Richter og hans kolleger på Northwestern har demonstreret, at de kan kontrollere affyringshastigheder i dyrs hørenerve ved hjælp af infrarød laserstråling. De forsøger nu at fastslå, at det er sikkert at bruge i lange perioder, og at det kan manipulere neurale affyringshastigheder med tilstrækkelig præcision til at sende nyttig information til hjernen.

Med konventionelle cochleaimplantater spredes elektriske signaler i det våde, salte miljø i kroppen, hvilket gør signalet mudret. Det gør det vanskeligt at udløse specifikke populationer af nerver inde i cochlea. Yderligere komplicerer sager, samtidige pulser på forskellige steder smelter sammen med hinanden og stimulerer cochlea overalt i stedet for på de ønskede steder.

Ingeniører løser problemet ved kun at udløse en eller to af de 16 eller 24 elektroder i det indre øre ad gangen. Det er gjort så hurtigt, at brugeren har illusionen om, at alle elektroderne affyrer, men resultatet er stadig en relativt grov simulering af normal hørelse. For mange cochleaimplantatbrugere lyder stemmer mekanisk, og musiklyde udvasket.

En infrarød laser kan derimod udstråles mod nervetråde med stor nøjagtighed. Desuden betyder laserlysets retningsbestemte natur, at optiske impulser forskellige steder ikke vil forstyrre hinanden. Den øgede præcision af neural stimulation ville få stemmer og musik til at lyde mere naturligt, og brugere ville lettere kunne tale i støjende omgivelser.

Selvom det endnu ikke er klart, hvorfor infrarød stråling kan udløse aktivitet i hørenerverne, antager Richter, at den opvarmer cellerne en smule, åbner ionkanaler i cellevæggene og sender et elektrisk signal ned langs neuronen.

Et stort spørgsmål er, om det er sikkert at stimulere nerver på denne måde i lange perioder. Indtil videre har Richter og hans kolleger vist, at hørenerver hos bedøvede ørkenrotter kan stimuleres med infrarød laserstråling i op til seks timer uden skader. På nuværende tidspunkt er det ikke muligt at køre testene i længere tid, men Richter planlægger langtidsundersøgelser i dyr med permanent implanteret enheder.

Forskerne er også ved at finde ud af, hvordan man præcist kan kontrollere neuronaktivitet med lasere. Øret koder for tonehøjde og lydstyrke ikke kun ved at affyre nerver på bestemte steder, men også ved at ændre sats hvorpå de skyder. Indtil videre har Richter vist, at laserstråling pålideligt kan få neuroner til at skyde op til 250 gange i sekundet, hvilket kan sammenlignes med den hastighed, hvormed traditionelle cochlearimplantater i tidlig model driver neuroner.

Menneskelige forsøg er år væk, men der er flere måder, hvorpå infrarød teknologi kan bruges til at bygge et fungerende cochleaimplantat. Den ene er at bruge fiberoptik i stedet for elektroder i et array, der er indsat inde i cochlea, lidt på samme måde som konventionelle cochleaimplantater nu bruger elektroder. Tidlige forsøg med et sådant system kan involvere udskiftning af en eller to elektroder af et konventionelt implantat med fiberoptik for at teste deres effekt. En anden er at sætte et optisk fiberbundt foran cochleaens runde vindue for at stimulere auditive neuroner uden at åbne cochlea. (Det runde vindue er en tynd membran i sneglen, der absorberer væskeforskydning, når lydbølger bevæger sig igennem den.)

En endnu mere futuristisk mulighed er at bruge genterapi til at få auditive neuroner til at reagere på bestemte bølgelængder af lys. På MIT, Ed Boyden har ændret nervecellernes gener, så de fyrer, når de udsættes for en bølgelængde af lys og stopper med at skyde, når de udsættes for en anden. Ifølge Richter ville denne tilgang kræve mindre strøm til at aktivere celler, hvilket kan være mere sikkert i det lange løb. Naturligvis bærer denne tilgang alle de forbehold, der typisk følger med genterapi og ville kræve en måde at præcist levere genterapi til de relevante auditive celler.

Hvis det viser sig, at det er sikkert og effektivt, kan optisk stimulering åbne op for stimuleringsgrænseflader med ultrahøj tæthed for det perifere nervesystem, siger Boyden. Processen med at kombinere optik og neuroner kan også bane vejen for mange fremtidige innovationer - at bevæge sig ud over den allestedsnærværende elektrode til nye modaliteter for neural kontrol.

skjule