动物实验显示:人工耳蜗需改进设计 助使用者辨别声音来源方向

人工耳蜗让失聪者“听到”声音，但目前的技术远非完美。由香港城市大学（城大）科学家领导的一个研究团队发现，可以透过人工耳蜗的刺激，训练自小失去听觉的大鼠，以恢复它们辨别声音来源方向的能力。该发现意味着已植入人工耳蜗者往往于空间听觉（spatial hearing）表现不佳，或许是因为目前人工耳蜗技术的不足，而非幼儿时期缺乏听觉的体验。

这项研究由城大神经科学系的Jan Schnupp教授，以及弗赖堡大学的Nicole Rosskothen-Kuhl博士联合领导。研究结果已发表在科学期刊《eLife》上，题为〈Microsecond interaural time difference discrimination restored by cochlear implants after neonatal deafness〉。

目前人工耳蜗技术的不足

听力正常者不仅可以凭声音轻松识别出附近环境中的不同物件，还可以定位声音，即知道声音的来源方向，这种能力称为空间听觉。

人工耳蜗的出现，令许多有严重听障的患者可以恢复部分听力，并且能够与他人交谈。这些植入患者头部的仿生设备可以绕过受损的内耳毛细胞（inner ear hair cells），直接用电脉冲刺激连接耳朵和大脑的神经。Schnupp 教授说：“不过现代人工耳蜗技术仍然远未完美，人工耳蜗使用者的空间听觉便特别差。”

他解释，人的耳朵使用两种机制来收集声音信息：一、“位置代码”，内耳的不同部分会对特定声音频率有不同的敏感度；二、“时间代码”，听觉神经脉冲精确的时间构型会反映声音传入耳朵的时间特性。而人拥有空间听觉的能力，就是因为具备能够测量声音到达双耳时间的差别的灵敏度，而且可以精确至相差只有50微秒。然而，人工耳蜗使用者通常完全没有这种能力，尤其是那些天生已经失去听觉、从来未有任何正常听觉体验的人。

为何人工耳蜗未能做到空间听觉

许多科学家过去一直认为，上述这种缺陷可能源于患者幼儿时期发育过程中，缺少听觉体验所致。但是Schnupp 教授和他的团队怀疑以下原因的可能性更大：受人工耳蜗技术所限，或是目前人工耳蜗处理器设计中的不当取舍所致。

他解释说：“目前的人工耳蜗技术着眼于以沿着内耳传递电脉冲的模式，来传递大量的‘位置信息’，但就忽略了人耳于时间测量具有非凡精确度的能力。”

为了验证这个假设，于动物听力生理和行为研究方面拥有丰富经验的 Schnupp 教授与曾于城大生物医学系（BMS）任博士后研究员、现于弗赖堡大学任职的 Rosskothen-Kuhl 博士合作，透过实验来测量大鼠于非常精确地控制的电流刺激下，它们的听觉辨别能力行为。

_{失聪的大鼠戴着研究人员特制的测量装置进行任务。（影片来源：DOI number: 10.7554/eLife.59300）}

研究团队将新生便失聪的大鼠饲养到成年，然后为牠们安装双耳人工耳蜗，并训练它们判断每只耳朵所感知到、时间设定非常精确的电脉冲的声音方向。出乎意料的是，这些失聪大鼠能够学懂辨别 50 微秒的双耳时间差（interaural time differences），它们的辨别能力并不比具有正常听力的大鼠或人类差。

为人工耳蜗设计带来启示

Schnupp 教授表示这是首项研究证明，至少在大鼠身上，发育初期即使严重缺乏听觉体验，亦不一定会损害成年后双耳时间差的处理能力。研究结果意味着，只要适当地协调对两边人工耳蜗的刺激，植入了人工耳蜗的人都应该有可能学会准确定位声音。

Schnupp 教授相信，改良人工耳蜗以贴近自然听力效果方面缺乏技术突破，是因为人工耳蜗制造商长期以来均低估了人耳对时间模式的非凡敏锐度。他们的研究证明，至少在动物模型中，新的人工耳蜗设计方向极可能带来实质的好处。

他补充，这项研究只是他们计划中一系列长期研究中的第一步。团队预料，这些研究成果将在适当时候改变人工耳蜗处理器的设计，并为以“仿生耳朵”来克服失聪的用家提供更丰富的听觉体验。

Schnupp教授和Rosskothen-Kuhl博士均是这篇论文的共同通讯作者。Rosskothen-Kuhl博士与来自BMS的Alexa N Buck (现为弗賴堡大学博士生) 是第一作者。其他共同作者还有来自城大电机工程学系的李孔燕博士。

是次研究获得香港研究资助局、医疗卫生研究基金、深圳市科技创新委员会、和德国学术交流中心的资助进行。

DOI number: 10.7554/eLife.59300

 本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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