仿生耳恢复你的第六感

内耳人造电子器官植入技术有朝一日可以使患者重新看到清晰的图像，亦可令患者找回失去的平衡感。

撰文 查尔斯·C·德拉·桑廷纳（Charles C. Della Santina）^[1]

翻译 黄翔

内耳

● 内耳前庭器官障碍会引发强烈眩晕并造成视觉图像抖动、模糊。

● 内耳中的三条半规管是人体检测头部转动的关键部位。

● 目前研究者正在开发能够取代半规管、恢复躯体平衡感的人造仿生耳。

当被问及人类有多少种感觉时，我们通常会罗列以下5种：味觉、触觉、视觉、嗅觉和听觉。绝大部分人甚至从没注意过他们还有第6种感觉——对头部朝向和运动的感觉。一旦失去这种感觉能力，人便会产生强烈的失能性眩晕（disabling vertigo），慢慢出现无法维持身体平衡，头部移动时视觉模糊等症状。内耳前庭迷路（vestibular labyrinth）调控着我们的第六感，一旦受损，人便会失去平衡。幸运的是，仿生耳领域的研究进展有望使此类患者的平衡感觉恢复正常。

现年57岁的美国退休锅炉工人理查德·甘农（Richard Gannon）已经迫不及待地迎接内耳修复技术了。目前居于宾夕法尼亚和佛罗里达两地的甘农，7年前由于病毒感染生过一场大病，后来就丧失了大部分平衡感。“让我来当接受人工前庭（vestibule，内耳的一个组成部分）植入的第一人吧，”甘农说，“我已经等了5年。只要他们能做，我愿意马上走进医院。”

“因为偏爱与水为伴，退休后我便搬到海滨附近居住。但自从失去平衡感，我便无法正常行走，尤其是在沙滩上，”曾是狂热游泳爱好者的甘农说，“那些母亲见到我摇摇晃晃的样子，都会把我当作醉鬼，让孩子们远离我。即使站在只有几厘米高的海浪里，我都感到就要摔倒。我现在几乎不开车了，而且绝对不会在夜晚开车，因为我会把每一个车灯都看成20个。”

白天驾车时，甘农倒是没有什么不适，但是夜间的路灯晃过他眼前时如彗星般拖着尾巴，“就像是一场激光灯表演”。他戏言：“我宁愿丧失听力来换回我的平衡感。”仿生耳研究的最新进展为甘农和成千上万丧失平衡感觉的患者带来希望。他们都受到过内耳损伤，原因则多种多样，包括抗生素[如庆大霉素（gentamicin）]、化疗、脑膜炎、梅尼埃病以及其他疾病。

保持直立与平稳

前庭迷路可以检测哪个方向为上，还能确定躯体前进方向，这对维持身体平衡非常重要。

与用电刺激部分听觉神经使患者恢复听力的人工耳蜗类似，这种新型仿生耳通过电极刺激前庭神经，使它发挥正常的转发功能，把信号从前庭迷路传递到大脑，即可恢复稳定的平衡感觉。与该装置连接的神经通路可以绕过受损的前庭系统正常工作。

健全的前庭迷路执行两项重要的任务。一项是检测哪个方向为上，以及身体在往哪个方向前进。这些信息对使身体保持正常的站立和行走姿态必不可少。另一项则是检测头部如何转动，大脑运用这些信息使视线保持在目标上。每当头部上抬，前庭迷路会发出指令使眼球以完全相同的速率向下转动，确保视网膜的图像保持稳定。如果没有这条前庭至眼球的反射回路，你看到的图像就会模糊不清，就像那种手持摄像机拍出来的抖动的影片。在仿生耳植入治疗中，这条反射回路将由人造内耳器官代替，很大一部分功能将恢复。

在前庭迷路中，检测头部转动的任务由充满液体的半规管（semicircular canal）来完成。三个半规管在内耳中相互垂直，所以能对头部转动进行三维定位。

每个耳朵里都有一个半规管检测水平方向的转动。当头部向左转动时，半规管里的液体因惯性向延伸至管末端的黏膜施加压力，导致该处细胞上的纤毛（cilia）弯曲。纤毛弯曲刺激前庭神经末梢，分别向感官知觉中枢——脑干，以及运动调控中枢——小脑发送冲动信号。脑干和小脑再向肌肉发送信息，便可以使眼睛朝着与头部运动相反的方向转动。

恢复平衡感

仿生耳利用微型陀螺仪来模拟内耳功能，恢复患者的平衡感。

我和约翰斯·霍普金斯医学院前庭神经工程实验室的同事已经研发出一种足以令甘农这类患者兴奋的仿生耳，并且已经在动物身上进行了测试。仿生耳包含一套用于检测头部在三维空间中运动的微型陀螺仪，它的微处理器向电极传送信号，刺激三束前庭神经。过去25年来，人造耳蜗植入手术已超过12万例，为此开发的电子和传感技术也逐渐成熟。这些经验为新型仿生技术提供了支持，有望大幅降低科研向临床应用转化的难度。

仿生耳植入手术可能会对内耳中与听觉有关的部位造成损伤，因此我们在动物试验时，仅对单侧耳朵进行，目的是把各种风险限制在一只耳朵上。动物试验的结果使我们相信，这种人造内耳器官可以取代半规管，帮助患者恢复平衡感。内耳中承担重力感应任务的结构一旦恢复功能，困扰患者的视觉图像模糊症状也有可能 （但不一定）得到改善。

除了我们约翰斯·霍普金斯医学院的团队以外，其他研究者也展开了前庭植入技术的研发工作。美国麻省总医院眼耳科（MEEI）的达尼埃尔·墨费尔德（Daniel Merfeld）、龚望松［Wangsong Gong（音译）］及同事于2000年首次报道了人造内耳器官试验，他们使用人工装置取代了一条半规管，术后的测试显示，动物能够适应该装置发出的信号。同在MEEI的理查德·刘易斯（Richard Lewis）正在测试该装置能否维持身体姿态稳定。

近期，由美国华盛顿大学詹姆斯·O·菲利普斯（James O. Phillips）率领的团队开发出一种类似于起搏器的设备，可以解决梅尼埃病发病眩晕期间的神经紊乱。美国加利福尼亚大学欧文分校的安德烈·M·什克尔（Andrei M. Shkel）以及塞浦路斯大学的尤利乌斯·乔治乌（Julius Georgiou）正致力于相关集成电路的研究工作。MEEI的康拉德·沃尔（Conrad Wall）领导的另一个团队正在开发外接辅助装置用于保持姿态稳定。

考虑到甘农这类内耳残障人士的遭遇，我们约翰斯·霍普金斯医学院的团队希望在攻克技术障碍并通过法规审核后，马上进行人体临床测试。如果研究进展顺利，这种用于恢复人体第六感的仿生耳装置最终将帮助与甘农类似的患者重新拥有正常的平衡感觉。

［替代结构］

恢复躯体平衡的人造装置

结构错综复杂的内耳前庭迷路对于平衡感觉至关重要，一旦内耳受到损伤，视觉图像便会模糊不清。研究者正试图用仿生装置来弥补此类损伤，这跟以前发明植入式助听器替代受损耳蜗非常类似。

扩展阅读

Living without a Balancing Mechanism. John Crawford in British Journal of Ophthamology, Vol. 48, No. 7, pages 357–360; July 1964.

Gentamicin-Induced Bilateral Vestibular Hypofunction. L. B. Minor in Journal of the American Medical Association, Vol. 279, No. 7, pages 541–544; February 18, 1998.

A Multichannel Semicircular Canal Neural Prosthesis Using Electrical Stimulation to Restore 3-D Vestibular Sensation. Charles C. Della Santina et al. in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 54, No. 6, pages 1016–1030; June 2007.

Johns Hopkins Vestibular Neuroengineering Laboratory: www.hopkinsmedicine.org/otolaryngology/research/vestibular/VNEL

[1]查尔斯·C·德拉·桑廷纳是约翰斯·霍普金斯医学院耳鼻喉科学及生物医学工程副教授，同时也是该学院前庭神经工程实验室的负责人。作为一名医生，他的主要工作集中在治疗前庭障碍以及对患者实施人造耳蜗植入手术；作为一名研究者，他则专注于针对前庭感觉丧失患者的人造器官研发工作。