定义光学人工耳蜗的一系列刺激参数

光遗传学，用光控制转基因细胞，已经彻底改变了生命科学和医学。它允许通过光脉冲有针对性地控制细胞及其网络的活性。这为治疗感觉系统功能障碍(如听力和视觉)开辟了全新的视角。

光遗传学治疗在感觉系统功能恢复方面的潜力及其临床可行性最近已被证明用于视觉系统。光学人工耳蜗(oCI)对听力损失和耳聋的光遗传学治疗仍处于临床前阶段。临床前研究和模拟表明，用光听有可能实现近乎生理的听觉印象，包括识别情绪音调和复杂的旋律。

哥廷根卓越集群多尺度生物成像：从分子机器到兴奋细胞网络(MBExC)的初级研究员Antoine Tarquin Huet博士探讨了oCI在人类中的临床应用必须满足的要求。“用光听觉需要oCI将声音信号转换为光信号模式，然后以适当的方式刺激耳蜗中的神经元。光遗传学刺激必须根据听觉神经细胞的编码特性精确定制，“哥廷根大学医学中心(UMG)听觉神经科学研究所的Huet说。

“在目前的研究中，我们定义了适当的刺激参数，在这些参数内，使用未来的光遗传假体(如oCI)控制听觉神经元是合理的。在他们最近发表在《脑刺激》杂志上的研究中，哥廷根听力研究人员描述了如何实现未来光遗传学工具的快速可靠的表征，然后可用于研究耳朵和大脑之间神经元信号的处理。

通过光遗传学方法恢复听力允许通过用光脉冲靶向下游听觉神经元的活动来绕过功能失调或缺失的感觉细胞。该方法需要基因疗法，其中通过插入光敏离子通道(所谓的通道视紫红质)使听觉神经细胞变得光敏。oCI的植入式光学刺激器用于光的靶向刺激。

这导致通道打开和离子流入，发生动作电位，并且神经细胞被电激发。用于刺激听觉神经的光脉冲可以比电更精确地使用，因此能够激活比迄今为止使用的电CI更少的听觉神经细胞更小的区域。光遗传学刺激的细胞特异性和空间限制有望改善功能恢复，远远超过当前人工耳蜗电植入物所能达到的水平。

详细研究结果

用光恢复听力的前提是光学人工耳蜗将传入的声音信息转化为光信号，从而以适当的方式激活耳蜗中的神经细胞。为了为临床试验铺平道路，从而为未来在人类中的应用铺平道路，第一步是确定控制耳蜗中神经细胞活动的界限。

“用光对神经元活动进行最佳控制远非微不足道，”Huet说。“它需要对所用通道视紫红质的产生及其细胞膜掺入进行良好的调整，光遗传学刺激参数与目标神经元群的编码特性的最佳匹配，以及激光二极管的正确选择。”

在他们的研究中，哥廷根科学家提出了神经元光遗传学控制的参数范围，并将其应用于需要高时间精度刺激的听觉通路。他们研究了定义强度和持续时间的光脉冲如何控制小鼠耳蜗中单个听觉神经元的激活。为此，他们将Chronos引入小鼠耳蜗的螺旋神经节神经元(SGN)，这是一种天然存在的通道视紫红质，能够对光刺激做出极快的反应。

他们证明，通过调整光脉冲的持续时间，可以实现听觉神经元的分级激活。这对于激光二极管的最佳使用具有重要意义。此外，他们定义了给定条件下光脉冲频率的最佳持续时间和上限。

有趣的是，光遗传学控制的听觉神经元群体表现出极大的多样性。“从理论的角度来看，这种功能多样性是扩大编码信息量并提高其可靠性的关键因素，”Huet说。

此外，研究结果表明，当SGN受到光遗传学刺激时，SGN下游的神经元可以以近乎生理的方式被激发。哥廷根听力研究人员的发现将为设计未来光学人工耳蜗的声音编码策略铺平道路。

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