光脉冲刺激耳蜗听神经的多通道方法研究与理论计算

Infrared Neural Stimulation (INS) is a novel method for neural stimulation with very high spatial resolution. Its application in auditory pathway would be expected to solve the problem of low stimulating resolution in traditional cochlear implants due to current diffusion. However, how to implement multi-channel INS in a small cochlea is still unsolved. Thus, on the basis of our preliminary experimental study and theoretical calculation of single-channel INS on the auditory nerves, we first proposed a multi-channel INS scheme which could be directly implanted into an animal cochlea by using the micron laser sources, and we verified the feasibility of the method through in vivo and in vitro experiments. In order to further study the effect of multi-channel INS on the auditory nerves, in this study, we plan to build a multi-physics simulation model of multi-channel INS in cochlea, to analyze the effect of laser wavelength, channel spacing, channel number and laser pulse parameters on auditory nerves, thereby to provide the theoretical basis for the multi-channel INS scheme. Further more, under the premise of theoretical calculation, we plan to optimize the optrode structure, and evaluate the safety and efficiency of multi-channel INS method by in vivo and in vitro experiments, therefore to provide new ideas and methods for current cochlear implants.

近红外神经光刺激是一种具有较高空间分辨率的神经刺激新方法，其在听觉通路中的应用有望解决传统人工耳蜗电刺激因电流扩散导致刺激分辨率低的难题。然而如何在狭小的耳蜗中实施多通道光刺激仍然是未解难题。在前期单通道听神经光刺激动物实验和理论计算研究的基础上，我们率先提出了利用微米级激光光源设计可直接植入动物耳蜗内的多通道光刺激方案，并通过体内、外实验初步验证了该方法的可行性。为了进一步研究多通道近红外光刺激对内耳听神经的作用效果，本项目拟建立耳蜗多通道光刺激的多物理场仿真模型，计算激光波长、刺激通道间距、通道数目以及激光脉冲参数变化对耳蜗听神经的影响，为多通道光刺激方案提供理论依据；在理论计算的前提下，进一步优化光电极设计，拟通过动物体内、外实验，对上述多通道光刺激新方法的刺激效果和安全性进行系统评价，为当前人工耳蜗设计提供新的思路和方法。

植入人工耳蜗是重度和极重度感音性耳聋患者重获听力的唯一方法。近年来，近红外神经光刺激方法被证实具有较高的刺激空间分辨率，其在听神经刺激上的应用，有望改善传统电子耳蜗因电流扩散而导致的刺激空间分别率低下的难题，从而使携带者感知复杂声音信号，但如何在内耳实现多通道光刺激是目前急需解决的难题。在本课题资助下，我们首率先提出了利用微米级光源设计可植入动物耳蜗内的多通道光电极方案，并通过 MEMS 加工工艺设计、制作，并逐步改进了可以植入动物耳蜗的多通道激光刺激电极。通过动物体内、外实验初步证明了多通道光刺激方案的可行性。在此基础上，我们针对豚鼠耳蜗，采用SELDs制作了两通道光电极，并将光电极植入豚鼠耳蜗中，进行急性动物实验，并对比光纤耦合激光器刺激结果发现，基于SELDs的光电极可以实现内耳听神经的激活，这一结果对激光在人工耳蜗中的应用提供有力的依据，也进一步推进了光刺激在听神经康复中的应用。上述研究结果发表SCI论文一篇（Neurophotonics，2018，中科院二区，IF=4.129），并在国内、外学术会议上分别进行了学术交流。另外，我们对具有较高穿透深度的短波近红外激光进行了实验研究，发现短波近红外激光不仅能够激活外周神经细胞，还可以有效的抑制中枢神经细胞信号的传导。这一发现为激光在在体神经调控中的应用提供了新的方法，也为某些神经紊乱性疾病治疗带来了新的调控方法和思路。相关研究结果发表于 Neurophotonics（中科院二区，2019，IF=3.581），并在国际会议上进行交流。在上述研究基础上，我们利用金纳米颗粒的光热作用，实现了短波近红外激光对耳蜗核神经细胞的激活，这一发现为透皮式光刺激提供了实验依据和可行性，对听性脑干假体的设计与改良提供了新的思路。