用光治疗失聪！科学家借病毒改造基因 让耳聋沙鼠靠“光”重获听觉

新一代的耳蜗植入设备可以让听力受损的人听音乐和在嘈杂的环境中听清对话。

全世界大约有50万遭受严重听力损失的人通过在耳朵里植入电子设备来弥补听力损失。众所周知，人工耳蜗植入技术是神经科学中最成功的技术之一，但它只能部分弥补听力缺陷，而且它们并不是一种仿生装置，它们仍然不能让听力受损的人们欣赏莫扎特的交响曲，或者在当地俱乐部的喧闹中听听朋友的闲言碎语，德国哥廷根大学的听觉神经学家Tobias Moser说:“如果他们去餐馆吃饭，他们就很难听到别人说话。而且他们在聆听旋律方面也有问题。”

耳蜗植入物最多有22个频道去感知话语的频率。而Moser领导的新研究有可能通过利用光线精确刺激内耳的听觉神经元来克服这些限制。Moser希望这种方法有朝一日能改善目前的耳蜗植入技术，并使失聪人士在嘈杂的环境中也能听到对话。

耳蜗是内耳中的一个螺旋结构，用来分析声音频率，穿过它的是一层膜，语言中不同的频率会影响膜不同的地方振动，振动激活附近的“毛发”细胞，进而刺激听觉神经元，将频率信息通过听觉神经传递到大脑。

感音神经性听力损失包括失去毛细胞，而耳蜗植入物尝试通过电极直接刺激神经元来绕过这种损伤。但是，来自电极的电流不会直接从电极流向听觉神经元，当它穿过微小的缝隙时会扩散，与任何相邻电极靠的太近的话都会引起“串音”，因此，这些设备设计的时候被限制了电极的数量以避免干扰，同时这也限制了可识别频率的数量。

最近发表在《科学转化医学》(Science Translational Medicine)杂志上的一项新研究使用了一种叫做光遗传学的技术，这种技术用光代替电。哈佛医学院的耳蜗学家丹尼尔·李说，“在过去的十年里，耳蜗植入物的平均表现趋于平稳，所以每个人都在寻找下一个解决方案，”尽管他没有参与这项研究。“光遗传学是一种合理的解决方案，因为你可以聚焦和操纵光，而这种操作在电流这种媒介上不太可能实现。”光遗传学是一种广泛应用于动物研究的研究技术，它将产生光敏感蛋白(灵带视紫质，或称“视蛋白”)的基因引入神经元，使它们能够被光激活。

Moser的研究小组在2014年发表了一项研究，当年研究中基因被重新设计的老鼠从出生时听觉神经元就表达出了视蛋白性状。而这项新的研究使用了沙鼠，沙鼠能够听到人类听到的低频声音。研究人员对成年沙鼠进行了基因操作，并使用了一种更快的视蛋白(一种在激活过程间恢复更快的视蛋白)来提高系统用声音的形式重现精确时间信息的能力。他们向沙鼠的耳蜗注射了一种病毒，利用病毒作为载体将视蛋白基因带入听觉神经元。然后，他们用一种光纤通过圆窗上的一个洞(中耳和内耳之间的一个小洞)将光线射进耳蜗，这在沙鼠的听觉脑干中产生了类似声音刺激的反应，这种机制在数周内保持稳定。

为了测试这一系统，研究小组训练沙鼠在听到警报后跳过障碍物以避免受到电击。他们首先用光训练正常听力的动物，显示光刺激会影响行为。然后，他们展示了使用光训练的动物也会对声音做出反应。Moser说:“这并不是说它听起来完全一样，但却非常相似。”最后，他们用一种化学物质使一组沙鼠失去听力，然后发现，虽然它们不再对声音做出反应，但动物们很快学会了对光刺激进行反应，这表明这些失去听力的动物恢复了一些听觉功能。加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的神经学家约翰·米德布鲁克斯(John Middlebrooks)没有参与这项研究，但是他说:“这些结果令人印象深刻，它们显示了一种可靠的新方法去恢复失聪人士的听力。通过未来的大量研究，它有可能取得超越人工耳蜗的成就。”

这项研究只使用了一个光通道，因此无法测量频率分辨率——下一步的重要工作将是开发多通道设备。设备设计的选择包括微led阵列和能够引导光从光纤传输的“波导”技术。但光纤消耗了大量的能量，导致了设备的笨重。“led更好，但更暗，因此存在一些技术挑战，”Lee说。“情况将会有所改善，尤其是随着更多种类的视蛋白技术门槛越来越低。”

在这种方法应用于人类之前，还存在其他障碍。尽管病毒诱导的基因改造通常不会在人类身上进行，但耳朵(和眼睛)是很好的尝试部位，因为它们受免疫系统的保护没那么严格，而且从解剖上看也更加孤立，以便插入的基因保持在预定的位置。所有这些都有其自身的挑战，耳蜗在人体中非常孤立，它被包裹在一个骨壳里，所以很难接触。研究小组发现，不到一半的被注射动物表现出对光的反应，不到三分之一的听觉神经元成功表达出了这种蛋白质，大约四分之一的听觉神经元消失，这有可能是由于注射造成的损伤所导致。好的一面是，耳蜗螺旋的神经元确实有表达了产生视蛋白的基因。研究小组没有发现除听觉神经元以外的其他细胞包含该基因。研究人员计划今年在非人类灵长类动物身上进行试验，这些灵长类动物的免疫系统与我们相似，并使用发声法，这将有助于比较不同设备的性能。Moser说:“我们大概两年后就会知道我们是否愿意将其转化为医疗设备。目前事情看起来还不错，但还有很长的路要走。”他创办了一家名为OptoGenTech的公司，该公司将于明年1月推出，以帮助这项技术商业化。