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新研究发现将来可用人耳充电且不影响听力

2012-11-23 08:09 来源:三九健康网 

当你手中那台可爱又可恨的智能手机再次显示“电量不足”的时候,你是否想过用自己身体的某个部位给它充电?

其实,这并非天方夜谭。早在20世纪30 年代,科学家就发现人类的耳蜗内存在微弱的离子电流。但由于担心利用耳蜗内的电源会对健康造成威胁,科学家们一直无法找到此生物电的利用渠道。

本月上旬,来自麻省理工学院(MIT)、马萨诸塞州眼耳中心(MEEI)、哈佛麻省联合办理的健康科学和技术部门(HST)的研究人员首次证明,哺乳动物耳朵中的这块天然电池可以为植入式电子设备提供能量,而且不会影响听力。

他们发现,连接电极并植入豚鼠耳蜗的低功耗发射器,能够以无线方式将有关数据传输至耳外接收器。最重要的是,实验结束后豚鼠的听力仍处于正常水平。

在这次实验中,这只小豚鼠的耳蜗成功为无线发射器“免费”供电长达五个小时。

“一种电子设备单纯使用耳朵作为电力支持,这还是第一次。”

马萨诸塞州眼耳中心耳外科医生、哈佛大学医学院听觉神经科学家康斯坦蒂娜·斯坦科维奇表示,“这项技术有可能在将来的某一天为人类大脑和人工耳蜗植入提供自主电源。”

用耳朵驱动无线发射器

为了证明获取内耳电能并不影响听力,康斯坦蒂娜与HST的研究生安德鲁·莱萨特需要在实验前一周将电极植入一只实验豚鼠的耳蜗内,附加在电极上的是由麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)开发的低功率电子设备(小型无线电发射器)。

“豚鼠的听觉系统颇为发达,其声音诱发电位也表现得很明显,因此是研究听觉系统电生理的较好实验对象。”现已过世的中国生理声学专家梁之安在上世纪六十年代做过类似研究,他曾表示,“特别是在大动物不易获得的条件下,豚鼠的使用更值得推荐。”

将电极植入豚鼠耳蜗是一个有些“残忍”的小手术。康斯坦蒂娜和助手需要将豚鼠麻醉,在其耳后沟划一道长 2 厘米的切口,将包有电极的针管插入豚鼠颅顶的肌肉组织与面神经管内,电极的另一端引出至耳朵外固定于适当位置。

这个小手术做完后一周才可以开始实验,实验时便无需再对豚鼠进行麻醉。

MTL 的研究人员钱德拉克森(Chandrakasan)也是本次实验的关键人物之一,他的任务是为豚鼠耳蜗内的电极装上一个超低功率无线电发射器。“如果没有办法获得由耳朵内部传出的信息,那么即便能够证明豚鼠的听力没有受到影响,这次实验的意义也不大。”钱德拉克森解释。

由于哺乳动物的耳蜗电能有限,倘若无线电发射器的功率比手机无线电要大,同样不能直接应用在电极上。因此,植入豚鼠耳蜗的电极还包含了功率转换电路,这便可实现在电容器里充电。“电极的电压并不稳定,但它可以在40秒到4分钟的时间内控制电路,以获取足够的电压来发射无线电。”康斯坦蒂娜说。

研究人员在豚鼠耳膜两侧的电极中都植入了 MTL 开发的这种无线电发射器,以便耳外接收器读取数据。

实验结果令人欣喜,在无额外电源供给的情况下,该无线电发射器运转正常。当然,这一结果只是验证了前人的结论:哺乳动物的耳蜗内存在电能。

本次研究的进展在于,实验证明所植入的设备能够有效地向耳朵外部接收器无线传输耳朵内的化学条件数据,生物电的转化与使用价值第一次得到验证。

最关键的是,实验结束后,几位科学家对豚鼠的听力进行了检测,仪器数据显示实验豚鼠的听力与正常豚鼠无异。

沉睡的“天然电池”

上述实验结果无疑为人类耳蜗生物电的开发与利用前景提供了无限遐想,科学家们对这一研究进展已经等待了半个多世纪。

1930年,韦伯(Weber)和布雷(Bray)两位科学家首次发现了“耳蜗微音器电位”,开启了耳蜗电生理研究的大门。

而学界对于耳蜗电位的密集研究与主要进展,则集中于二十世纪五六十年代。

1952年,科学家贝克西(Békésy)从豚鼠的耳蜗中导出了两种静息电位:以前庭阶内的外淋巴为零电位计,由蜗管内淋巴导出的电位是正50毫伏,从螺旋器内导出的电位是负40毫伏。

当然,四五十毫伏的电压在日常生活中几乎可以忽略不计—一节干电池用完后的电压大约为 1000 毫伏(即1伏特),但对于内耳来说,这些电能却不容忽视。

十几年后,戴维斯(Davis)研究了几种耳蜗电现象的相互关系,提出耳蜗的“机械—电学”说,从原理上解释了耳蜗如何把声音机械能转变为神经电能。

贝克西测算出豚鼠耳蜗内的电位量,戴维斯则告诉后来的研究者,耳蜗内的电能究竟从何而来。

原来,很多哺育动物包括人类的耳蜗就是一个天然形成的“电压器”。收到外界声音后,耳膜振动引起的机械力能够导致耳蜗膈膜两侧的钾离子和钠离子浓度失衡,这层膜隔中的细胞就是一些专门的离子泵(一类特殊的载体蛋白)。浓度失衡的两种离子加上离子泵,便构成了一个生产电能的“电压器”。

“在过去,人们曾经认为内耳的电势太高,不适合植入电子设备,因为高电势有很大的危险。”康斯坦蒂娜说,“60 年前,我们就知道那里是一块天然电池,对于维持正常听力来说很重要,但是没有人尝试去利用这块天然电池来给电子设备供电。”

眼下,如何增强耳蜗电能的稳定性与持久性,已成为科学家们接下来需要攻克的难点。

德国布伦瑞克工业大学环境化学教授乌韦·施罗德认为,由于内耳的空间十分狭小,如果植入电极或芯片,总功率也将受到限制。

如此看来,用耳朵为你的 iPhone 充电依然无法实现,但也没有必要灰心。目前的研究表明,耳蜗的电能已足够维持一天一次的体内药物运输系统,虽然连续性有限,但可以借鉴储蓄电能的模式优化使用效果。

“事实上,你可以从耳蜗中制造低压电源,把它作为驱动耳蜗植入设备的能源。”美国凯斯西储大学耳鼻喉科主任克里夫·马吉瑞恩说,“想象一下,如果我们能够测量不同疾病条件下耳蜗内的电压,那就可以为畸变诊断提供依据。”