光學(xué)刺激能為色素性視網(wǎng)膜炎或其它視網(wǎng)膜細(xì)胞有問題的患者提供人工視覺

主要研究人員、生物工程學(xué)教授理查德•拉彼特說，現(xiàn)在我們用耳蝸植入方法改善耳聾患者有限的聽力，“我們將來會(huì)用紅外線脈沖代替電脈沖與大腦交流。”紅外線可以讓我們感覺到熱，那么心臟和內(nèi)耳細(xì)胞被激活是否與紅外線輻射本身無關(guān)而是熱的原因呢？拉彼特和同事通過實(shí)驗(yàn)證明，這些細(xì)胞確實(shí)是被紅外線輻射所激活。

 這項(xiàng)由美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院資助的研究還提出發(fā)展用光信號(hào)代替電信號(hào)刺激心臟細(xì)胞制作心臟起搏器的可能性。他們發(fā)現(xiàn)，通過玻璃光纖釋放產(chǎn)生的短波紅外線可以激活心臟細(xì)胞和內(nèi)耳細(xì)胞。進(jìn)一步研究又發(fā)現(xiàn)，紅外線激活心肌細(xì)胞是通過使線粒體內(nèi)外的鈣離子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，同樣的過程也發(fā)現(xiàn)在內(nèi)耳細(xì)胞中。紅外線照射內(nèi)耳細(xì)胞和心臟細(xì)胞與激光發(fā)射器一樣，紅外線也是通過二極管產(chǎn)生的，只是波長(zhǎng)不同。

 研究人員在實(shí)驗(yàn)室用紅外線照射新生小鼠的心肌細(xì)胞和蟾魚的內(nèi)耳毛細(xì)胞。毛細(xì)胞能將聲音、重力或運(yùn)動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)通過相連的神經(jīng)細(xì)胞送入大腦。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過紅外線照射的毛細(xì)胞向給大腦發(fā)送信號(hào)的神經(jīng)元釋放了神經(jīng)遞質(zhì)。拉彼特認(rèn)為，毛細(xì)胞的激活是紅外線輻射引起的，因?yàn)檫@些細(xì)胞充滿了線粒體，而它們又是這一波長(zhǎng)的主要作用對(duì)象。

 在另一項(xiàng)新生小鼠心臟細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn)，紅外線會(huì)影響線粒體內(nèi)外鈣離子的流動(dòng)。拉彼特認(rèn)為這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閷?duì)于可產(chǎn)生興奮的神經(jīng)和肌肉細(xì)胞來說，鈣離子就像是讓這些細(xì)胞產(chǎn)生收縮或釋放神經(jīng)遞質(zhì)的扳機(jī)。心臟細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，一次持續(xù)僅僅五千分之一秒的紅外線脈沖既可以使線粒體快速攝取細(xì)胞內(nèi)的鈣離子，并隨后緩慢釋放回細(xì)胞里，這一循環(huán)使細(xì)胞產(chǎn)生了收縮。

 拉彼特認(rèn)為這項(xiàng)研究將會(huì)帶來優(yōu)于電信號(hào)的光信號(hào)耳蝸植入?，F(xiàn)在的耳蝸是將聲音轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。通常要在內(nèi)耳耳蝸中放置8個(gè)電極，這8個(gè)電極只能釋放8個(gè)頻率的聲音，而一個(gè)健康的成年人能聽到的頻率超過3000個(gè)。如果利用光線刺激，那能聽到的就不僅僅是8個(gè)頻率而是數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)頻率。或許有一天光學(xué)耳蝸將使耳聾患者能再一次欣賞音樂，聽到一個(gè)正常人能聽到的所有細(xì)微聲音。與電流不能集中到一個(gè)點(diǎn)上而是廣泛分布不同，紅外線能聚焦，這樣就可以讓很多波長(zhǎng)的光（相當(dāng)于不同的聲音頻率）集中在內(nèi)耳不同的細(xì)胞上。

 拉彼特說，“鈣離子這種行為正常是由細(xì)胞控制的而非我們。所以紅外線給了我們控制這些細(xì)胞的一種工具。在內(nèi)耳里，你將控制進(jìn)入大腦的信號(hào)；在心臟，你將控制收縮。”將內(nèi)耳聲音信號(hào)傳遞給大腦的神經(jīng)細(xì)胞每秒可放電300次以上，而紅外線耳蝸就能很好地完成這項(xiàng)工作。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用激光脈沖照射毛細(xì)胞，可使與之相連的神經(jīng)細(xì)胞每秒放電100多次。對(duì)于耳蝸植入來說，這些神經(jīng)細(xì)胞將被紅外線激活而非毛細(xì)胞。

 拉彼特正在進(jìn)行用光線代替電刺激大腦深部有效性的研究，另外還在嘗試?yán)霉鈱W(xué)植入治療平衡障礙的潛力。“我們老的時(shí)候會(huì)行動(dòng)緩慢，這不是因?yàn)槲覀兊募∪獠恍辛?，而是因?yàn)槲覀兊钠胶獬隽藛栴}。”他說。“這項(xiàng)技術(shù)將通過恢復(fù)耳朵向大腦發(fā)送有關(guān)你的身體空間運(yùn)動(dòng)的信號(hào)而恢復(fù)你的平衡。”

光學(xué)刺激還能為色素性視網(wǎng)膜炎或其它視網(wǎng)膜細(xì)胞有問題的患者提供人工視覺。。“你可以佩戴在鏡框上裝有相機(jī)的眼鏡，相機(jī)上的電信號(hào)將會(huì)轉(zhuǎn)變成紅外線輻射脈沖進(jìn)入到有問題的視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜不是對(duì)光產(chǎn)生反應(yīng)，而是對(duì)紅外線輻射發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生影像”，他說，利用光學(xué)進(jìn)行聽覺和視覺植入，設(shè)備不必穿透大腦或其它神經(jīng)組織，因?yàn)榧t外線能夠穿透很多組織，所以這類設(shè)備“有很好的生物相容性。”