211service.com
Dove oren laten horen met licht
Ongeveer 100.000 diep dove mensen horen nu met cochleaire implantaten, die werken door de gehoorzenuw te stimuleren met een reeks elektroden die in het binnenoor zijn geïmplanteerd. Hoewel de apparaten veel gebruikers in staat stellen om gemakkelijk te converseren en telefoons te gebruiken, slagen ze er nog steeds niet in om het normale gehoor te herstellen. Nu onderzoeken wetenschappers van de Northwestern University of op laser gebaseerde implantaten ooit beter kunnen presteren dan de huidige elektrische versie.
Geluidseffecten: Een optisch cochleair implantaat zou deze binnenoorhaarcellen omzeilen (hierboven), die in veel gevallen van ernstige doofheid niet functioneel zijn. Optische straling zou de neuronen stimuleren die normaal worden geactiveerd door de beweging van deze microscopisch kleine vezels als reactie op geluidstrillingen.
Het zoogdieroor gebruikt neurale vuursnelheden als een manier om geluid te coderen. Als onderdeel van een project gefinancierd door het National Institute for Deafness and Other Communication Disorders (NIDCD), Claus-Peter Richter en zijn collega's van Northwestern hebben aangetoond dat ze de vuursnelheid in de gehoorzenuw van dieren kunnen regelen met behulp van infrarood laserstraling. Ze proberen nu vast te stellen dat het veilig is om het gedurende lange tijd te gebruiken en dat het neurale vuursnelheden met voldoende precisie kan manipuleren om nuttige informatie naar de hersenen te sturen.
Bij conventionele cochleaire implantaten verspreiden elektrische signalen zich in de natte, zoute omgeving van het lichaam, waardoor het signaal vertroebeld wordt. Dat maakt het moeilijk om specifieke populaties zenuwen in het slakkenhuis te activeren. Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat gelijktijdige pulsen op verschillende locaties met elkaar versmelten, waardoor het slakkenhuis overal wordt gestimuleerd in plaats van op de gewenste locaties.
Ingenieurs omzeilen het probleem door slechts één of twee van de 16 of 24 elektroden in het binnenoor tegelijk te activeren. Het is zo snel gedaan dat de gebruiker de illusie heeft dat alle elektroden afvuren, maar het resultaat is nog steeds een relatief ruwe simulatie van normaal horen. Voor veel gebruikers van cochleaire implantaten klinken stemmen mechanisch en muziek klinkt vervaagd.
Een infraroodlaser daarentegen kan met uiterste nauwkeurigheid naar zenuwvezels worden gestraald. Bovendien zorgt het directionele karakter van laserlicht ervoor dat optische pulsen op verschillende plaatsen elkaar niet storen. De verhoogde precisie van neurale stimulatie zou stemmen en muziek natuurlijker laten klinken en gebruikers zouden gemakkelijker kunnen converseren in rumoerige omgevingen.
Hoewel het nog niet duidelijk is waarom infraroodstraling activiteit in de gehoorzenuwen kan veroorzaken, veronderstelt Richter dat het de cellen enigszins verwarmt, ionenkanalen in de celwanden opent en een elektrisch signaal door de lengte van het neuron stuurt.
Een grote vraag is of het veilig is om zenuwen op deze manier langdurig te stimuleren. Tot nu toe hebben Richter en zijn collega's aangetoond dat gehoorzenuwen bij verdoofde gerbils tot zes uur lang zonder schade kunnen worden gestimuleerd met infrarood laserstraling. Op dit moment is het niet haalbaar om de tests langer uit te voeren, maar Richter plant langetermijnstudies bij dieren met permanent geïmplanteerde apparaten.
De onderzoekers zoeken ook uit hoe ze de activiteit van neuronen nauwkeurig kunnen regelen met lasers. Het oor codeert toonhoogte en luidheid, niet alleen door zenuwen op bepaalde plaatsen af te vuren, maar ook door de tarief waarop ze schieten. Tot dusverre heeft Richter aangetoond dat laserstraling neuronen op betrouwbare wijze tot 250 keer per seconde kan laten vuren, wat vergelijkbaar is met de snelheid waarmee conventionele cochleaire implantaten uit het vroege model neuronen aansturen.
Menselijke proeven zijn nog jaren verwijderd, maar er zijn verschillende manieren waarop infraroodtechnologie kan worden gebruikt om een werkend cochleair implantaat te bouwen. Een daarvan is het gebruik van glasvezel in plaats van elektroden in een array die in het slakkenhuis wordt ingebracht, enigszins vergelijkbaar met de manier waarop conventionele cochleaire implantaten nu elektroden gebruiken. Vroege proeven van een dergelijk systeem kunnen inhouden dat een of twee elektroden van een conventioneel implantaat worden vervangen door glasvezel om hun effect te testen. Een andere is om een optische vezelbundel voor het ronde venster van het slakkenhuis te plaatsen om auditieve neuronen te stimuleren zonder het slakkenhuis te openen. (Het ronde venster is een dun membraan in het slakkenhuis dat vloeistofverplaatsing absorbeert wanneer geluidsgolven er doorheen reizen.)
Een nog meer futuristische mogelijkheid is om met behulp van gentherapie auditieve neuronen te laten reageren op bepaalde golflengten van licht. bij het MIT, Ed Boyden heeft de genen van zenuwcellen veranderd, zodat ze vuren wanneer ze worden blootgesteld aan één golflengte van licht en stoppen met vuren wanneer ze worden blootgesteld aan een andere. Volgens Richter zou voor deze aanpak minder stroom nodig zijn om cellen te activeren, wat op de lange termijn misschien veiliger is. Natuurlijk bevat deze benadering alle voorbehouden die typisch gepaard gaan met gentherapie en zou een manier nodig zijn om gentherapie nauwkeurig aan de relevante gehoorcellen te leveren.
Als bewezen is dat het veilig en effectief is, zou optische stimulatie stimulatie-interfaces met ultrahoge dichtheid kunnen openen voor het perifere zenuwstelsel, zegt Boyden. Het proces van het combineren van optica en neuronen kan ook de weg vrijmaken voor veel toekomstige innovaties - verder gaan dan de alomtegenwoordige elektrode naar nieuwe modaliteiten van neurale controle.