動物實驗顯示:人工耳蝸需改進設計 助使用者辨別聲音來源方向

人工耳蝸讓失聰者“聽到”聲音，但目前的技術遠非完美。由香港城市大學（城大）科學家領導的一個研究團隊發現，可以透過人工耳蝸的刺激，訓練自小失去聽覺的大鼠，以恢復它們辨別聲音來源方向的能力。該發現意味著已植入人工耳蝸者往往於空間聽覺（spatial hearing）表現不佳，或許是因為目前人工耳蝸技術的不足，而非幼兒時期缺乏聽覺的體驗。

這項研究由城大神經科學系的Jan Schnupp教授，以及弗賴堡大學的Nicole Rosskothen-Kuhl博士聯合領導。研究結果已發表在科學期刊《eLife》上，題為〈Microsecond interaural time difference discrimination restored by cochlear implants after neonatal deafness〉。

目前人工耳蝸技術的不足

聽力正常者不僅可以憑聲音輕松識別出附近環境中的不同物件，還可以定位聲音，即知道聲音的來源方向，這種能力稱為空間聽覺。

人工耳蝸的出現，令許多有嚴重聽障的患者可以恢復部分聽力，並且能夠與他人交談。這些植入患者頭部的仿生設備可以繞過受損的內耳毛細胞（inner ear hair cells），直接用電脈衝刺激連接耳朵和大腦的神經。Schnupp 教授說：“不過現代人工耳蝸技術仍然遠未完美，人工耳蝸使用者的空間聽覺便特別差。”

他解釋，人的耳朵使用兩種機制來收集聲音信息：一、“位置代碼”，內耳的不同部分會對特定聲音頻率有不同的敏感度；二、“時間代碼”，聽覺神經脈衝精確的時間構型會反映聲音傳入耳朵的時間特性。而人擁有空間聽覺的能力，就是因為具備能夠測量聲音到達雙耳時間的差別的靈敏度，而且可以精確至相差只有50微秒。然而，人工耳蝸使用者通常完全沒有這種能力，尤其是那些天生已經失去聽覺、從來未有任何正常聽覺體驗的人。

為何人工耳蝸未能做到空間聽覺

許多科學家過去一直認為，上述這種缺陷可能源於患者幼兒時期發育過程中，缺少聽覺體驗所致。但是Schnupp 教授和他的團隊懷疑以下原因的可能性更大：受人工耳蝸技術所限，或是目前人工耳蝸處理器設計中的不當取舍所致。

他解釋說：“目前的人工耳蝸技術著眼於以沿著內耳傳遞電脈衝的模式，來傳遞大量的‘位置信息’，但就忽略了人耳於時間測量具有非凡精確度的能力。”

為了驗證這個假設，於動物聽力生理和行為研究方面擁有豐富經驗的 Schnupp 教授與曾於城大生物醫學系（BMS）任博士後研究員、現於弗賴堡大學任職的 Rosskothen-Kuhl 博士合作，透過實驗來測量大鼠於非常精確地控制的電流刺激下，它們的聽覺辨別能力行為。

_{失聰的大鼠戴著研究人員特制的測量裝置進行任務。（影片來源：DOI number: 10.7554/eLife.59300）}

 

研究團隊將新生便失聰的大鼠飼養到成年，然後為牠們安裝雙耳人工耳蝸，並訓練它們判斷每只耳朵所感知到、時間設定非常精確的電脈衝的聲音方向。出乎意料的是，這些失聰大鼠能夠學懂辨別 50 微秒的雙耳時間差（interaural time differences），它們的辨別能力並不比具有正常聽力的大鼠或人類差。

 

為人工耳蝸設計帶來啟示

Schnupp 教授表示這是首項研究證明，至少在大鼠身上，發育初期即使嚴重缺乏聽覺體驗，亦不一定會損害成年後雙耳時間差的處理能力。研究結果意味著，只要適當地協調對兩邊人工耳蝸的刺激，植入了人工耳蝸的人都應該有可能學會准確定位聲音。

Schnupp 教授相信，改良人工耳蝸以貼近自然聽力效果方面缺乏技術突破，是因為人工耳蝸制造商長期以來均低估了人耳對時間模式的非凡敏銳度。他們的研究證明，至少在動物模型中，新的人工耳蝸設計方向極可能帶來實質的好處。

他補充，這項研究只是他們計劃中一系列長期研究中的第一步。團隊預料，這些研究成果將在適當時候改變人工耳蝸處理器的設計，並為以“仿生耳朵”來克服失聰的用家提供更豐富的聽覺體驗。

Schnupp教授和Rosskothen-Kuhl博士均是這篇論文的共同通訊作者。Rosskothen-Kuhl博士與來自BMS的Alexa N Buck (現為弗賴堡大學博士生) 是第一作者。其他共同作者還有來自城大電機工程學系的李孔燕博士。

是次研究獲得香港研究資助局、醫療衛生研究基金、深圳市科技創新委員會、和德國學術交流中心的資助進行。

DOI number: 10.7554/eLife.59300